石灰性紫色水稻土淹水植稻期反硝化基因(nirS和nosZ)对不同施肥制度的响应

【作者】 王蓥燕； 辜运富；

【机构】 四川农业大学资源学院微生物系；

【摘要】 【目的】通过分析不同施肥制度下石灰性紫色水稻土淹水植稻期反硝化过程关键功能基因（nirS和nosZ）的多样性和丰度特征,以期明确相关功能基因在石灰性紫色水稻土中的分布特点,揭示反硝化作用在该类土壤中的发生机制,为水稻土生态系统中氮素循环的有效管理提供重要依据。【方法】于淹水植稻期进行土样分层采集,结合土壤理化性质分析、变性梯度凝胶电泳（Denature gradient gel electrophoresis,DGGE）、末端限制性片段长度多态性分析（Terminal restriction fragment length polymorphism analysis,T-RFLP）、以及定量PCR等技术综合分析农家肥（M）、氮肥+农家肥（NM）、氮磷肥+农家肥（NPM）、氮磷钾肥+农家肥（NPKM）、无肥（CK）、氮肥（N）、氮磷肥（NP）、氮磷钾肥（NPK）等不同施肥制度对nirS和nosZ种群结构、多样性和丰度的影响。【结果】T-RFLP结果表明,不同施肥制度下nosZ基因T-RFs片段的丰富度变化规律为:农家肥配施化肥（NM,NPM,NPKM）>农家肥（M）>化肥（N,NP,NPK）>CK,农家肥配施化肥制度下的nosZ特异性T-RFs片段更多;nosZ基因多样性随土壤层次增加而降低,nirS多样性指数随土壤层次变化不明显;在不同施肥制下,nirS基因T-RFs片段的丰富度变化不及nosZ基因明显。系统发育树显示nosZ基因群落主要属于α-变形菌门的Bradyrhizobiacene和Rhodospirillacene,其次为β-变形菌门。其中,Bradyrhizobiaceae受施肥制度产生的变异更大。qPCR结果显示:每克干土中nosZ基因拷贝数为1.14×10⁵-1.99×10⁶,而nirS的拷贝数为7.3×10²-9.6×10⁵;与16S基因拷贝数相比,nirS基因百分比:0.002-0.06%;noaZ基因百分比:0.1-0.4%。土壤0-20 cm层的nirS和nosZ基因的拷贝数远远高于其他层次,农家肥配施化肥制度的土壤nirS和nosZ基因的拷贝数高于化肥和农家肥制度,土壤深度增加,nirS和nosZ基因拷贝数降低。Pearson相关性分析显示nosZ基因拷贝数与土壤有机质呈显著正相关（r=0.734,P<0.01）;nirS基因拷贝数与土壤全氮呈显著正相关（r=0.623,P<0.01）。典范对应分析（CCA）显示:nosZ基因群落与土壤中的理化性质pH值（p<0.01）和土壤有机质（p<0.02）显著相关。除此之外,土壤0-20 cm层的nosZ基因群落与其它层次明显相异,而40-60 cm与60-90cm层nosZ基因群落相近。施肥制度下的nosZ基因群落,农家肥配施化肥与无肥明显相异。冗余分析（RDA）显示:nirS基因群落与土壤pH值（p<0.02）和NH₄-N（p<0.05）显著正相关。土壤0-20cm层nirS基因群落结构与其它层次存在明显差异。NPK施肥制度下,土壤层次nirS的群落结构相似（除了0-20 cm层）。N施肥制度下的40-60 cm和60-90 cm层中,nirS的群落结构与对照一样。【结论】石灰性紫色水稻土反硝化相关基因nirS和nosZ对不同施肥制度表现出不同响应特征,表现出明显的垂直分布变化。更多还原