有机肥施用塑造青藏高原豆科与禾本科植物根际固氮微生物组的生态差异

本研究针对高原牧草根际固氮微生物群落对有机肥的响应机制这一科学问题，采用创新性epicPCR技术（融合nifH与16S rRNA基因的单细胞分析），首次系统解析了青藏高原豆科（紫花苜蓿）与禾本科（老芒麦）根际347种固氮菌的分布特征。研究发现有机肥显著改变豆科根际固氮菌结构（抑制Rhizobium而促进Pantoea），但对禾本科影响微弱，揭示了施肥对植物-微生物共生关系的差异化调控机制，为高原草地可持续管理提供理论依据。

　　

在被称为"地球第三极"的青藏高原，高寒草地的氮素循环维系着独特的生态系统平衡。氮作为生命必需元素，其生物固持过程主要依赖一类特殊微生物——固氮菌（diazotrophs），它们能通过固氮酶（nitrogenase）将大气中的惰性氮气转化为植物可利用形态。然而，随着农业活动中有机肥的大量施用，这些看不见的"地下工程师"正面临前所未有的生存挑战。尤其对于豆科植物这类与固氮菌建立专性共生关系的物种，施肥是否会打破其与根瘤菌（Rhizobium）的"默契合作"？这个问题的答案直接关系到高原草地生态系统的可持续管理。

中国科学院环境生物技术重点实验室的研究团队以青藏高原两种典型牧草——紫花苜蓿（Medicago sativa，豆科）和老芒麦（Elymus sibiricus，禾本科）为研究对象，采用突破性的epicPCR（乳液配对隔离与连接PCR）技术，首次实现了单细胞水平上固氮功能基因nifH与分类标记基因16S rRNA的同步检测。该研究在青海省图尔博草原改良实验站（海拔3270米）建立田间试验，设置有机肥处理与自然对照，通过高通量测序分析根际微生物组，结合植物生长指标测定，系统揭示了施肥对固氮微生物群落的影响规律。

关键技术包括：1）epicPCR技术实现单细胞水平nifH-16S rRNA基因融合检测；2）高通量测序分析根际微生物组；3）青海高原3270米海拔田间控制试验；4）多元统计方法解析微生物群落结构。这些方法组合为破解"谁在固氮"与"谁可能固氮"的对应关系提供了创新解决方案。

【采样点与样本收集】研究在年均温-0.7°C的极端环境下，通过随机区组设计获取根际土壤样品，确保环境变量控制的严谨性。

【整体与原核生物群落组成】分析发现根际原核生物包含45门666属的3737个ASV（扩增子序列变体），而固氮菌仅347个ASV，显示固氮功能在微生物群落中呈"稀有但关键"的分布特征。

【豆科与禾本科根际固氮菌差异】禾本科根际固氮菌多样性显著高于豆科（p<0.05），这与豆科植物通过根瘤形成选择性富集特定固氮菌的生态策略相符。紫花苜蓿的生长指标（株高、鲜重、干重）与固氮菌群落显著相关，证实其强共生关系。

【有机肥的影响】施肥使豆科根际Rhizobium相对丰度下降42%，而Pantoea上升65%，显著改变群落结构（p<0.01）；但对禾本科根际影响微弱，验证了植物类型对施肥效应的调控作用。

研究结论揭示：有机肥通过改变土壤氮素有效性，干扰了豆科植物与固氮菌的自然共生网络，特别是抑制了根瘤菌等关键共生菌群，这种"施肥干扰效应"在禾本科系统中表现较弱。该发现为理解高原草地氮循环的微生物驱动机制提供了新视角，提示在豆科牧草种植中需谨慎制定施肥策略以维持共生固氮效能。论文创新性地将epicPCR技术应用于环境微生物研究，为复杂生态系统中功能微生物的精准解析建立了方法学范式，相关成果发表在环境科学领域权威期刊《Journal of Environmental Sciences》上。