香蕉连作土壤中活性氨氧化微生物(AOB/AOA)对氮肥添加与镰刀菌胁迫的差异化响应机制

本研究针对香蕉连作系统中土壤酸化与镰刀菌枯萎病协同加剧的农业难题，通过13CO2 DNA-SIP技术解析了氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)在尿素与镰刀菌(Foc)复合胁迫下的活性差异。发现长期连作促使Nitrosospira cluster 3a-AOB成为主导功能菌群，揭示了农业扰动下微生物驱动的氮循环失衡机制，为可持续土壤管理提供理论依据。

　　

香蕉作为全球4亿人口的主粮作物，其单一种植模式正面临双重威胁：镰刀菌枯萎病(Fusarium oxysporum f. sp. cubense, Foc)导致产量锐减，而过度氮肥施用引发的土壤酸化又进一步助长病原菌滋生。中国亚热带香蕉园年施氮量高达525-852 kg/ha，使土壤pH值骤降，形成"酸化-病原增殖"的恶性循环。尽管已知氨氧化微生物(AOB和AOA)是氮转化的关键驱动者，但它们在农业胁迫下的功能响应机制仍是未解之谜。

海南大学三亚育种与繁殖学院(现三亚南繁研究院)与中科院东北地理所黑土保护利用国家重点实验室的科研团队，创新性地采用¹³CO₂ DNA稳定同位素探针技术(DNA-SIP)，对比分析了原始森林(Y0)、2年(Y2)和12年(Y12)香蕉连作土壤中活性氨氧化微生物的适应策略。研究发现发表在国际期刊《BMC Microbiology》上的这项成果，首次揭示了长期农业扰动下AOB/AOA群落的生态位重组规律。

研究团队通过土壤微宇宙实验，设置对照(CK)、尿素(100μg/g)、Foc接种(3.65×10³ CFU/g)及复合处理四组，结合高通量16S rRNA测序和qPCR技术，追踪了28天内微生物活性与群落动态。关键发现如下：

土壤酸化与硝化潜力
尿素处理使Y0/Y2土壤pH显著降低0.5-1.0单位，而长期连作的Y12土壤(pH 4.97)已形成稳定酸性环境。尿素+Foc协同刺激N₂O排放达对照的15.8倍，证实复合胁迫对硝化活性的放大效应。

活性微生物标记规律
DNA-SIP显示Y12土壤中95%的AOB被¹³C标记，而AOA标记率仅62%。在尿素+Foc处理下，Y0/Y12土壤甚至完全检测不到活性AOA，表明AOB在胁迫环境中具有显著竞争优势。

群落结构演变特征
原始森林土壤以Nitrosotaleales 1.1-AOA(20.2%)和Nitrosospira cluster 2-AOB(88.2%)为主导。随着连作年限增加，Y12土壤中Nitrosospira cluster 3a-AOB相对丰度升至80.6%，且Foc接种使其完全替代cluster 2成为优势菌群。

功能菌群的环境适应
Nitrosospira cluster 3a在尿素处理下表现突出，其基因组可能编码特殊的尿素酶系统。相反，Nitrosopumilales 1.1a-AOA在Foc富集的Y12土壤中占比达52.2%，暗示其对病原微环境的特殊适应性。

这项研究确立了长期农业扰动下AOB/AOA的功能更替模型：从森林土壤的AOA主导，到短期连作的AOA/AOB共存，最终演变为长期酸化胁迫下Nitrosospira cluster 3a-AOB的绝对优势。该发现为理解农业生态系统氮循环的微生物驱动机制提供了新视角，尤其揭示了病原菌与化学氮肥的协同作用如何通过重塑微生物群落加剧土壤功能障碍。未来研究可基于此开发靶向调控AOB/AOA比例的土壤改良策略，例如通过优化氮肥形态或引入竞争性菌株，阻断"酸化-病原增殖"的恶性循环，为香蕉产业可持续发展提供微生物解决方案。