宏基因组学揭示钾肥梯度对土壤磷循环微生物群落及功能基因的影响及其与产量的关系

《Frontiers in Microbiology》：Metagenomics reveals the effects of potassium fertilizer gradients on soil phosphorus-cycling microbial communities and functional genes, and their relationship with yield

　　

合理施用钾(K)肥对果园土壤养分转化至关重要。微生物群落驱动磷(P)的转化与活化，然而它们对钾(K)梯度的响应以及相关功能潜力的调控机制尚不清楚。为此，研究人员在7–8年生库尔勒香梨树上开展田间试验，评估不同钾梯度(0、75、150和225 kg/ha K₂O)下表土(0–20 cm)和底土(40–60 cm)层微生物群落结构和功能潜力的变化。结果表明，钾处理下微生物群落与对照明显分离。底土微生物的响应较表土更为显著，且土壤速效磷和pH与这些变化相关。在功能基因水平上，K150处理下，微生物表现为磷获取相关功能基因(ugpE、phy)和核苷酸生物合成相关基因(guaA)相对丰度降低。随着钾施用量增加，微生物群落中磷循环基因的相对丰度在不同钾梯度间表现出显著差异。土壤速效钾和微生物生物量氮与这些功能基因谱的变化密切相关。此外，钾肥施用与果实产量变化相关，并在K150处理下达到峰值。偏最小二乘路径模型(PLS-PM)分析显示，磷循环微生物的群落组成和相关功能基因与果实产量呈正相关。总体而言，这些结果表明，在本研究条件下，K150处理对应果实产量与微生物养分循环遗传潜力之间的有利平衡。

**一、研究背景与意义**

梨(Pyrus communis L.)栽培对土壤质量和养分管理要求严格，梨树对矿质元素有效性高度敏感，尤其是钾(K)。钾是仅次于氮的重要大量营养元素，对优化果实产量和品质至关重要。然而，土壤中大部分钾被固定于矿物晶格中，植物难以直接利用。根据植物可利用性，土壤钾分为水溶性钾、交换性钾、非交换性钾和结构钾，其中绝大部分以非交换态和结构态存在，导致"营养悖论"——土壤富钾但梨树仍表现缺钾。新疆库尔勒地区长期集约化种植使土壤钾耗竭严重，而施钾量普遍不足，可能削弱土壤钾供应能力并引发养分循环失衡。与一年生作物不同，果园具有深根性和多年生特征，形成独特的垂直养分梯度。磷在土壤中移动性差，其有效性高度依赖根际微生物介导。钾肥施用改变土壤微环境，微生物对此响应迅速。然而，钾梯度驱动下磷循环关键微生物类群的演变趋势及功能基因潜力如何响应钾水平变化，仍缺乏系统分析。为此，研究人员在库尔勒香梨园开展不同钾梯度下不同深度土壤的宏基因组(metagenomics)分析，为科学施肥和精准土壤肥力调控提供理论基础。

**二、研究内容与结论**

研究人员在新疆库尔勒阿瓦提乡7–8年生库尔勒香梨园(砧木为杜梨Pyrus betulifolia，株行距1.5 m×4.0 m)开展田间试验，设置4个钾水平(0、75、150、225 kg/ha K₂O，对应CK、K75、K150、K225)，采集表土(0–20 cm)和底土(40–60 cm)样品，采用宏基因组测序分析微生物群落结构及磷循环功能基因，并结合果实产量数据，通过PLS-PM解析钾肥–土壤–微生物–产量的结构关系。结果表明：K150处理下果实产量最高；钾肥通过调节微生物群落结构和磷循环功能基因重塑磷循环潜力，产量变化与微生物群落结构和功能基因丰度变化密切相关。该研究发表于《Frontiers in Microbiology》，为果园生态系统钾素管理提供了初步依据。

**三、主要技术方法**

研究样本来自新疆库尔勒阿瓦提乡同一果园地块，完全随机区组设计，4个钾处理×3个小区重复×2个土层，共24份土壤样品。采用Illumina NovaSeq 6000平台进行宏基因组鸟枪法测序(PE150)；fastp质控、BMTagger去除宿主污染；Kraken2+Bracken进行物种分类；MEGAHIT组装、MMseqs2聚类构建非冗余基因集、Prodigal预测开放阅读框(ORF)，并在KEGG、EggNOG和CAZy数据库进行功能注释。统计分析采用ANOVA+Duncan多重比较、BH-FDR校正筛选候选响应基因；非度量多维尺度分析(NMDS)和置换多元方差分析(Adonis)评估群落结构差异；共现网络分析、冗余分析(RDA)+envfit分析环境因子关联；SmartPLS 4构建PLS-PM模型。

**四、研究结果**

**4.1 不同钾肥梯度下微生物群落多样性的变化**

Simpson和Shannon指数在各处理间无显著差异，表明钾肥对微生物alpha多样性影响较小。NMDS和Adonis分析显示，表土群落结构变化不显著(R²=0.245, p=0.564)，底土则显著分化(R²=0.382, p=0.021)。K150和K225处理下磷循环微生物群落高度相似，提示施钾存在阈值效应。Sphingomonas、Nocardioides、Lysobacter和Pseudomonas为各土层核心优势属。

**4.2 微生物群落结构变化及其与土壤养分的相关性**

共现网络分析显示表土网络边数、平均度、图密度和平均聚类系数低于底土，而网络直径和模块性较高，底土正相关比例(73.63%)高于表土(69.09%)。RDA分析(p=0.001)前两轴解释44.59%的群落变异；envfit分析显示速效磷(R²=0.735, p=0.001)、pH(R²=0.572, p=0.001)、速效氮(R²=0.478, p=0.003)、微生物生物量碳(MBC；R²=0.591, p=0.001)、微生物生物量氮