氮肥调控的微生物群落通过营养竞争加速农业土壤中作物残体的早期分解
作者及机构
本研究的通讯作者为Chao Ai（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所），合作作者包括Meiling Zhang、Liyu Zhang、Jing Li等，主要来自中国农业科学院农业资源与农业区划研究所的“国家耕地高效利用重点实验室”和“农业农村部植物营养与肥料重点实验室”。研究于2025年6月发表于《Nature Communications》（DOI: 10.1038/s41467-025-60948-2）。
学术背景
研究领域与动机
本研究属于土壤微生物生态学与农业碳循环交叉领域。全球农业每年产生约40亿吨作物残体，残体还田是提升土壤碳汇（SOC）的关键措施，但其分解效率受氮（N）可用性调控。传统研究认为氮肥通过直接促进分解菌（decomposers）的活性加速残体分解，但忽略了非分解菌（non-decomposers）的潜在作用。本研究旨在揭示氮肥如何通过调控微生物互作网络（microbial interactions）影响小麦残体的早期分解动态。
关键科学问题
1. 氮肥如何改变残体表面微生物群落的定殖顺序？
2. 氮富集条件下，非分解菌（如*Staphylococcus sciuri*）与分解菌（如*Bacillus*）的互作机制是什么？
3. 这种互作如何影响残体分解速率？
研究流程
1. 田间分解实验
- 样本设计：设置3个氮肥水平（N0: 无氮；N1: 180 kg/hm²；N2: 240 kg/hm²），每个处理3重复，埋入含小麦残体的尼龙网袋（孔径0.05 mm，排除大型动物干扰）。
- 时间序列：在0、7、14、39、62、100、187天采样，测定残体失重率、矿物氮含量（NH₄⁺、NO₃⁻），并扫描电镜（SEM）观察残体结构变化。
- 结果：氮肥显著加速早期分解（前57-70天速率提高10-12%），SEM显示N1/N2处理的残体结构破坏更明显。
2. 微生物群落分析
- 方法：通过qPCR、16S rRNA（细菌）和ITS（真菌）扩增子测序、宏基因组测序（metagenomics）解析群落组成与功能。
- 关键发现：
- 来源追踪（FEAST分析）：氮肥促进土壤源微生物（如*Bacillus*和*Staphylococcus*）在7天内快速定殖（占比60-70%）。
- 功能潜力：宏基因组注释显示，*Bacillus*编码多种碳水化合物活性酶（CAZymes，如纤维素酶GH48、木聚糖酶GH10），而*S. sciuri*富含糖转运（PTS系统）和代谢基因（如 glycolysis）。
3. 合成群落（SynComs）验证
- 菌株筛选：从早期残体分离167株细菌，鉴定19株早期富集菌（含4株*Bacillus*分解菌和1株非分解菌S. sciuri AZ288）。
- 实验设计：将分解菌（强/弱）与*S. sciuri*共培养于含残体的培养基（±氮源），10天后测定残体分解率及群落动态。
- 结果：
- *S. sciuri*通过消耗糖类（如葡萄糖、甘露糖）抑制弱分解菌（*B. tequilensis*）生长，使群落转向强分解菌（*B. safensis*）主导。
- 添加外源糖可逆转抑制效应，证实营养竞争机制。
4. 多组学机制解析
- 转录组：弱分解菌的糖转运基因（如PTS系统*celA*、*manP*）在共培养中显著下调。
- 代谢组：共培养体系中N-乙酰葡糖胺（N-acetyl-D-glucosamine）、果糖-6-磷酸（fructose-6p）等糖代谢物浓度降低。
主要结论
- 氮肥的“双阶段效应”：氮肥通过促进土壤源微生物（如*Bacillus*和*S. sciuri*）早期定殖，加速残体分解（16.77%速率提升），但后期可能抑制木质素降解酶活性。
- 微生物互作新机制：非分解菌*S. sciuri*通过糖竞争限制弱分解菌生长，重塑群落结构，凸显“非分解菌-分解菌”互作在碳循环中的关键作用。
- 应用价值：为设计“氮肥-微生物”协同的残体还田策略提供理论依据，可优化农业碳汇管理。
研究亮点
- 方法创新：结合田间实验、宏基因组binning（获得68个MAGs）、SynComs和多组学（转录组+代谢组），系统解析微生物功能分工。
- 理论突破：首次揭示非分解菌通过营养竞争调控分解菌群落的生态机制，挑战传统“分解菌中心”范式。
- 技术应用：开发的SynComs构建方法可用于其他生态系统的微生物互作研究。
其他价值
研究强调在微生物群落设计中需纳入非分解菌，为生物技术（如合成微生物组）提供新思路。未来可探索该菌群对土壤碳库的长期影响。