研究背景

土壤退化是一个及其严重的全球问题，长期连作和滥用化肥会造成土质变差。全球范围内，每年约有 40% 的农业土壤发生严重退化，24% 的土壤仍在持续恶化。在中国，农业化肥的滥用导致土壤退化，造成土壤养分失衡、土壤酸化、污染物积累和生物多样性下降等现象。但是关于土壤微生物群落对土壤退化及生态系统功能的反馈机制仍知之甚少。本文通过基因芯片与 16S/18S rDNA 多样性测序结合的方法研究退化土壤中微生物类群和功能基因的转变。

研究思路

样本的选取

5 个正常土壤：烟草生长情况良好，没有病原菌感染的土壤。

5 个退化土壤：发生酸化、烟草生长情况不好的被 R. solanacearum 感染的退化土壤。

选取的土壤深度为 0 -20cm，分别取自 20 个样点混合后分成 2 份，1 份用于 DNA 抽提，1 份用于物化指标的测定。

烟草生长 120d 后，测定株高、茎粗、R. solanacearum 感染率及发病程度。

研究结果

1、土壤的物化指标的测定结果发现，退化土壤中的磷含量、pH、尿素酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性显著降低（P<0.05），详见表 1。

表 1 土壤中的物化指标测定结果

该研究中 16S /18S rDNA 多样性测序服务由伯豪生物提供

2、R. solanacearum 感染率和植物生长情况表明，生长于退化土壤的烟草有 85.48% 发生了感染现象，但生长于正常土壤的烟草则没有被感染，并且烟草生长良好。

表 2 疾病程度、感染率株高、发芽率的测定结果

3、通过 16S /18S rDNA 多样性测序发现退化土壤的微生物群落组成、结构和功能发生变化，与正常土壤相比，有益微生物减少，致病性微生物增加。

图 1 正常和退化土壤中微生物丰度的比较。（a）细菌的比较结果（b）真菌的比较结果

4、基因芯片（GeoChip 5.0）分析表明，退化土壤中涉及到毒力、应激反应、硫循环、植物细胞壁降解的潜在功能基因比正常土壤显著增多，可能与土壤酸化、植物病害有关。

图 3 基因芯片分析的功能基因结果。（a）毒力相关基因（b）细胞壁降解相关基因

图 4 正常和退化土壤中与应激反应相关的基因差异结果。

5、通过 CCA 分析发现，正常土壤和退化土壤的微生物结构有差异。不同的理化因子对微生物的组成影响不同，AK、OM、pH 和尿素酶活性起主要因素。

图 5 正常和退化土壤中微生物组成。

图 6 正常和退化土壤中微生物组成与土壤物化指标的关系。

研究结论

本项研究发现了一个退化土壤微生物群落组成和结构发生改变，同时土壤 pH 值和酶活性发生降低。此外，为了应对土壤酸化及其他不利环境因素，退化土壤的应激反应、毒力、硫代谢相关基因显著增多，不利于有益微生物的生存。这些结果为我们更好地了解土壤微生物群落对土壤退化及生态系统功能的反馈机制提供了新的方向。

原文出处： Zhang H, Wang R, Chen S, et al. Microbial taxa and functional genes shift in degraded soil with bacterial wilt. Scientific Reports, 2017, 7.