科研 | CHEMOSPHERE：长期施用不同类型氮肥对水稻镉毒害及稻田镉污染土壤微生物群落的影响（国人作品） / 开普饭

编译：橙，编辑：十九、江舜尧。

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导读

镉（Cd）是生物体非必需元素。由于其在环境中具有很强的迁移转化特性及对人体的高度危害性而被列为重金属污染元素之一。目前，随着农田重金属污染的加重，“镉米”事件时有发生。本文以氮肥类型为出发点，研究了长期施用不同类型氮肥对水稻镉毒害及稻田镉污染土壤中微生物群落的影响，测定不同处理间水稻根在镉胁迫环境下相应基因的表达水平及土壤微生物群落区系组成，进而研究不同类型施氮处理下水稻产量、土壤pH及土壤重金属镉(Cd)的有效态含量在不同处理之间的差异，及这些因素与水稻基因表达水平及土壤微生物群落之间的联系，这些结果可以为减轻水稻中的镉植物毒性提供有效的施肥策略，并增强对其潜在微生物机制的理解，对于指导农业生产有重要参考意义。

论文ID

原名：The responses of cadmium phytotoxicity in rice and the microbial community in contaminated paddy soils for the application of different long-term N fertilizers

译名：长期施用不同类型肥料对水稻镉毒害及镉污染稻田土壤微生物群落的影响

期刊：CHEMOSPHERE

IF：5.108

发表时间：2019年9月

通讯作者：陈世宝

通讯作者单位：中国农业科学院农业资源与农业区划研究所

实验设计

本文以为期8年的田间实验为对象，研究了尿素(CO (NH₂)₂)，对照），硫酸铵((NH₄)₂SO₄)，氯化铵(NH₄Cl)和磷酸氢铵((NH₄)₂HPO₄)四种不同施氮处理对中国南方镉污染稻田水稻毒害和土壤微生物群落区系组成的影响。通过测定土壤基础理化性质、土壤和水稻中镉的含量，并通过功能基因反转录定量手段研究与镉吸收及转运相关的基因表达水平。土壤DNA提取，并利用高通量测序手段对土壤微生物群落结构（细菌及真菌）进行微生物区系组成测定。通过系统发育分子生态学网络（pMEN）分析鉴定出细菌的关键物种，解析在镉污染土壤下不同施氮处理关键微生物的组成及其土壤理化因子的关系，进一步明确微生物群落特征的关键驱动因素。

结果

1水稻产量、土壤pH值和土壤重金属镉(Cd)的有效态含量

植物生长能够直接反映植物对逆境下的耐受能力。在本研究中，从2010年到2017年，施用四种氮肥处理的水稻产量存在显着差异(Fig. 1A)。线性回归分析结果显示，在施用尿素的八年中，水稻年产量没有显着变化。相反，水稻产量在氯化铵处理中具有统计学上的下降趋势，并且磷酸铵处理表现出显着正相关。有趣的是，随着硫酸铵的施加，水稻产量呈现出增加后下降的趋势。结果表明，不同氮肥对水稻生长的影响不同，磷肥的施用是促进水稻生长的有效途径。与对照（施用尿素）相比，土壤pH和采用DTPA提取土壤重金属镉(Cd)的有效态含量均受到不同氮肥类型的不同影响(Fig. 1B,1C)。氮肥的施用可能由于硝化作用而引起土壤酸化，此外氯化铵和硫酸铵中的Cl^-,SO₄²等阴离子可能导致土壤pH值发生变化。磷酸铵的施用对土壤pH的影响不同于其他氮肥的效果。在酸性土壤溶液中磷酸盐化合物的主要形式是H₂PO₄^-。H₂PO₄^-具有交换和解吸已经吸附在土壤胶体上的OH^-并导致土壤pH增加的能力。此外，随着Cd-碳酸盐络合物的形成和沉淀，土壤pH值的增加可能导致土壤中的Cd固定，从而导致土壤生物可利用Cd的减少。这也解释了磷酸铵处理在提高水稻籽粒产量和降低土壤Cd生物利用率方面是最有效的途径(Fig.1C)。

图1 不同施肥处理之间各指标差异比较，不同的字母表示存在显著差异。（a）显示水稻年产量（2010-2017）（b）土壤pH在不同处理间的差异（c）DTPA-Cd含量在不同处理间的差异。

2 镉转运基因的表达

在分子水平上，镉可以通过通常用于摄取必需营养素的二价过渡态的转运蛋白进入植物。当镉影响到必需营养素的摄取时，植物会激活一组与镉解毒相关的基因，这些基因有助于植物排除镉离子。本研究测定了IRT1，IRT2，Nramp1，Nramp5，HMA2，HMA3和HMA4七种基因的表达水平。这些基因编码负责植物吸收和转运铬的蛋白质。不同氮肥的施用改变了水稻根系中Cd转运基因的转录水平(Fig.2)。例如，与对照相比，N-P处理显着降低IRT1，NRAMP1，NRAMP5，HMA2和HMA4的相对表达，同时其增加IRT2和HMA3。在本研究中，氮肥的施用可能通过在生理水平上调节铬相关基因表达而改变水稻植物中的铬吸收和转运。

图2 不同施氮处理下水稻根相应基因的表达水平与对照样品的关系。

3 微生物群落结构

基于Bray-Curtis差异的NMDS分析了不同施氮处理后细菌和真菌微生物群的总体结构变化情况。结果显示土壤细菌微生物群落存在显着的受氮肥影响的依赖性结构重排，ANOSIM分析表明差异显著。相反，不同施氮处理对真菌微生物群没有显著影响(Fig.3)。土壤细菌和真菌对氮肥处理的不同反应，一个原因是土壤细菌和真菌具有不同的营养方式，例如具有更强的氮需求的细菌对氮的波动敏感性更强。另一个原因与土壤pH有关，细菌往往比真菌对pH更敏感。本研究中，NS和N-Cl处理的土壤的pH较低，NP处理的土壤比对照的pH要高，这表明土壤细菌可能比土壤真菌受到更大程度的干扰，pH是影响农业生态系统土壤细菌群落结构和组成的主要因素之一。

图3 非度量多维尺度（NMDS）分析结果表明，不同的氮处理样品中土壤细菌和真菌群落存在差异。多边形表明氮施肥处理对细菌群落结构存在显着影响，真菌群落结构差异不显著。

土壤微生物区系组成受不同氮肥的影响存在明显差异(Fig.4)。这些微生物积极参与土壤的代谢和生物地球化学元素循环，在养分周转、土壤健康等方面起到了重要的指示作用。结果表明，不同的长期施氮处理可以刺激土壤中细菌的周转，最终导致细菌群落结构的变化。

图4 细菌和真菌（门水平）在不同施氮处理中的差异。（A）和（C）表示所有样品中细菌和真菌门的平均相对丰度。（B）和（D）表示不同处理之间土壤细菌和真菌群落相对丰度的差异。

网络分析确定了不同氮肥对镉污染水稻土壤微生物相互作用的影响。与其他处理的网络相比，N-P网络最复杂，具有更大的节点总数，平均连通性和细菌和真菌的平均聚类系数。结果表明，施氮改变了土壤微生物群落共存的模式，磷酸铵的施用增强了微生物的相互作用。此外，网络分析中这些关键微生物在群落构建过程中起到了关键作用(Fig.5)。此外在这项研究中，确定了关键物种与土壤理化性质的相关性。土壤pH，有效态S和P以及DTPA-Cd与大多数关键物种呈现出显着相关性(Fig.6)。与其他土壤理化性质相比，土壤pH值与更多的关键物种相关联。

图5（A）Zi-Pi图显示不同处理之间细菌和真菌群落的Zi（模块内连接系数）和Pi（模块间连接系数）的节点类别。 Zi和Pi的阈值分别为2.5和0.62。红色圆圈代表边缘OTU，蓝色圆圈代表关键物种。（B）每种处理的细菌和真菌的关键物种的组成。

图6 关键物种与环境因子间的网络分析。

结论

在田间条件下，不同长期施氮处理对镉污染水稻土的土壤pH值和Cd植物毒害均有影响。相比之下，N-P处理比对照（C-N处理）更有效地减轻Cd植物毒害。与水稻根系中Cd吸收（IRT和NRAPM基因）和转运（HMA基因）相关的基因表达可能是不同施氮处理中Cd植物毒害的原因。研究结果表明土壤细菌对不同氮肥的响应比真菌更敏感。细菌的γ-变形菌，酸性细菌和放线菌以及用于真菌的子囊菌被确定为关键物种。这些关键物种在磷酸氢铵处理中高度富集，并且土壤pH和土壤重金属镉(Cd)的有效态含量是微生物网络连接的主要决定因素。

本研究通过长期定位不同施肥处理实验，评价了在重金属元素镉的胁迫环境下，不同施肥处理对于水稻镉毒害及对镉污染土壤微生物群落的影响。这些结果可以为减轻水稻中的镉植物毒性提供有效的施肥策略，并增强对其潜在微生物机制的理解，对于指导农业生产有重要参考意义。

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