氮肥对大豆根际土壤微生物群落和代谢的影响.pdf

DOI：10.11689/sc.2023050901高瑞敏，严君，邹狮，等.氮肥对大豆根际土壤微生物群落和代谢的影响J.土壤与作物，2023，12（4）：373 384.GAO R M，YAN J，ZOU S，et al.Effects of nitrogen fertilizer on microbial community and metabolism in rhizosphere soil of soybeanJ.Soils and Crops，2023，12（4）：373 384.氮肥对大豆根际土壤微生物群落和代谢的影响高瑞敏1,2，严君1,2，邹狮1,2，韩晓增1,2，邹文秀1,2，陈旭1,2，陆欣春1,2，杨舒纯1,2，许梦琪1,2（1.中国科学院东北地理与农业生态研究所,黑龙江 哈尔滨 150081；2.中国科学院大学,北京 100049）摘要：探究不同施氮水平下大豆根际固氮微生物群落和代谢差异，对于合理有效的调控根际生态系统、提高土壤养分利用效率等具有重要意义。采用土壤代谢组学和高通量测序技术，研究了不同施氮处理对大豆根际土壤代谢产物与固氮微生物群落结构的影响。结果表明，无氮和施氮处理下大豆根际土壤代谢产物以及土壤固氮菌群落结构差异显著；共检测到29 种差异代谢物，包括有机酸、聚酮类化合物、脂肪酰基类化合物、有机含氮化合物等物质；施氮促进大多数代谢物含量上调，且以有机酸及其衍生物含量最高，而下调代谢物仅 1 种为脂肪酰基类化合物。差异代谢物通路分析表明，差异代谢产物主要富集在氨基酸合成与碳水化合物代谢等途径；此外，施氮处理显著改变固氮微生物群落结构组成，与无氮处理相比大豆根际土壤中慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）、固氮氢自养单胞菌属（Azohydromonas），弗兰克氏菌属（Frankia）以及中华根瘤菌属（Sinorhizobium）等相对丰度显著下降。相关性分析表明根际优势固氮菌慢生根瘤菌属、固氮氢自养单胞菌属以及弗兰克氏菌属同大多数上调代谢物呈显著负相关关系，同下调差异代谢物呈显著正相关关系；中华根瘤菌属同大多数上调代谢物呈显著负相关关系。施氮可能通过影响根系分泌物，从而直接或间接对根际土壤固氮微生物群落结构产生影响。研究结果为不同氮肥处理对大豆根际土壤微生物群落及代谢产物的影响提供了理论基础。关键词：氮肥；固氮菌群落；代谢产物中图分类号：S154.3文献标识码：AEffects of nitrogen fertilizer on microbial community and metabolism inrhizosphere soil of soybeanGAO Ruimin1,2，YAN Jun1,2，ZOU Shi1,2，HAN Xiaozeng1,2，ZOU Wenxiu1,2，CHEN Xu1,2，LU Xinchun1,2，YANG Shuchun1,2，XU Mengqi1,2（1.Northeast Institute of Geography and Agroecology,Chinese Academy of Sciences,Harbin 150081,China；2.University ofChinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China）Abstract：It is of great significance to explore the differences of nitrogen-fixing microbial communities and metabolism in therhizosphere of soybean under different nitrogen applications for reasonable and effective regulation of rhizosphere ecosystems andimprovement of soil nutrient use efficiency.Soil metabolomics and high-throughput sequencing techniques were used to study theeffects of different nitrogen applications on soil metabolites and nitrogen-fixing microbial community structure in soybean rhizo-sphere.The results showed that there were significant differences in community structure and soil metabolites of nitrogen-fixingbacteria in soybean rhizosphere soil under no nitrogen treatment and nitrogen treatment.A total of 29 differential metabolites weredetected in the experiment,including organic acids,polyketides,fatty acyl compounds,organic nitrogen-containing compounds andother substances.Nitrogen applications promoted the up-regulation of most metabolites.The analysis of differential metabolitepathways showed that differential metabolites were mainly enriched in amino acid synthesis and carbohydrate metabolism.Inaddition,the nitrogen applications changed the microbial community structure,resulting in a significant decrease in the relative 收稿日期：2023 05 09；修回日期：2023 06 30.基金项目：国家重点研发计划（2022YFD1500802）；黑龙江省“揭榜挂帅”科技攻关项目（2021ZXJ05B03）；中国科学院战略性先导科技专项 A 类（XDA28070000）.第一作者简介：高瑞敏（2000-），女，硕士研究生，主要从事土壤微生态研究.E-mail:.通信作者：严君（1982-），女，副研究员，主要从事土壤微生态研究.E-mail:.土壤与作物 2023 年 12 月 第 12 卷 第 4 期Soils and Crops,Dec.2023,12（4）：373 384abundance of Bradyrhizobium,Azohydromonas,Frankia and Sinorhizobium in the rhizosphere soil.Correlation analysis showed thatinter-rhizosphere dominant nitrogen-fixing bacteria were significantly negatively correlated with most of the up-regulateddifferential metabolites and significantly positively correlated with the down-regulated differential metabolites.The results provideda theoretical basis for the effects of different nitrogen fertilizations on microbial communities and metabolites in soybeanrhizosphere soil.Key words：nitrogen fertilizer；diazotrophic community；metabolites 0引言土壤代谢产物主要来源于植物的根系分泌、根际微生物代谢以及土壤有机质的分解过程等1，它们通过充当根际微生物的碳源、信号分子等对根际微生物群落结构产生影响，进而对土壤理化性质、作物生长发育等起着关键调节作用2。大豆具有共生固氮功能，同时也是需氮较高的作物，施用氮肥会改变土壤微生物代谢及土壤微生物群落结构等微生物学过程，从而直接或间接影响土壤养分和大豆的生长发育3 4。因此，阐明氮肥施用条件下大豆根际土壤微生物群落和代谢产物的变化规律至关重要。土壤微生物群落及代谢产物对氮肥的响应是复杂的，目前其影响机制仍有争论5 7。长期施氮显著降低农田生态系统中固氮微生物的丰度和多样性，而慢生根瘤菌属的相对丰度有所增加8。高氮处理使得小麦中参与氮代谢的氨基酸、碳水化合物、有机酸及脂质含量显著上调。此外，施氮引起野生大豆根系中氨基酸类代谢物下调，糖醇、有机酸以及次生代谢类物质上调9。以往的研究已证实：施氮会显著改变了土壤代谢产物和土壤微生物群落组成，但目前有关植物根际土壤代谢物研究较少，且缺乏根际土壤代谢组学同根际土壤固氮菌群落的联合研究。本研究选择东北典型黑土与本地主栽大豆品种，通过对大豆施用不同量氮肥，研究不同施氮水平下土壤根际代谢物和固氮微生物群落差异，揭示不同施氮水平下根际土壤代谢物同土壤固氮微生物群落结构之间的联系，将有助于我们认识不同氮素水平下根系分泌物介导的植物-土壤微生物间相互作用过程，对于合理有效的调控根际生态系统、促进作物增产、提高土壤养分利用效率以及生态系统的可持续发展等方面具有重要意义。1材料与方法 1.1试验设计试验于 2021 年 5 月至 10 月在中国科学院东北地理与农业生态研究所试验场（4538N，12639E）进行。供试土壤为黑土。供试大豆品种为东生 35。试验设置两个施氮水平：（1）CK，不施氮；（2）SN，施氮量为 100 mgkg1土。采用盆栽试验，每盆（PVC 材料，直径 20 cm，高 45 cm）装土 5.5 kg。氮肥在大豆生长发育的 V2 期，以水溶液的形式随灌溉水施入，每个处理 4 次重复，随机排列。供试氮肥为尿素（46%N），磷钾肥在土壤装盆前与土壤充分混匀作为基肥，磷肥为过磷酸钙（15%P2O5），钾肥为硫酸钾（52%K2O），施用量均为 3 mgkg1土。1.2样品采集在大豆播种后第 37 d（第 4 节复叶全展期），即施氮肥后第 10 天，将完整的大豆根系从盆栽土壤中取出，轻轻抖落以去除松散粘附在根系的根区土壤，将未抖落紧密粘附在根系的土壤（15%（图 1）。但 SN 处理下的不同优势固氮菌属的相对丰度均显著低于对应的CK 处理（P 0.5，且均在置信区间，表明该研究数据集具有较高的稳定性和可重复性，可用于不同施氮处理下的大豆根际土壤代谢物差异分析。2.3土壤差异代谢物采用 OPLS-DA 模型筛选差异代谢物，累计解释能力参数 R2X 和 R2Y 分别为 0.922 和 0.978，预测能376土 壤 与 作 物第 12 卷力参数 Q2=0.961，参数均大于 0.4，表明此模型可靠，对模型进行随机分组 200 次的置换检验（Permutationtext），Q2回归直线与 Y 轴的截距小于 0，该模型不存在过拟合现象（图 3）。基于 OPLS-DA 模型，采用变量权重值 VIP 并结合 t 检验 P 值与差异倍数 FC 进行差异性表达代谢物筛选。设置 VIP 阈值 1，P 1.2 或 FC 0.83，在 CK 和 SN 处理下根际土壤中筛选出 29 种显著性差异的代谢物。与 CK 处理相比，SN 处理的大豆根际土壤有 28 种代谢物表达量上调，其中包括 8 种有机酸、7 种聚酮类化合物、6种脂肪酰基类化合物、2 种核酸及其衍生物、2 种有机含氮化合物、1 种有机杂环化合物、1 种碳水化合物和 1 种其它类化合物（表 2）。其中，油酸酰胺（Oleamide）、9,12-十八碳二烯醛（9,12-Octadecadienal）、牛磺酸（Taurine）、月桂酰胺（Lauramide）、谷氨酸（Glutamic acid）、胆碱（Choline）、亚油酰胺（Linoleamide）、大豆苷（Daidzin）、腺嘌呤（Adenine）等代谢物差异倍数 FC 1.5 倍。此外，脂肪酰基类化合物芥酸酰胺（Erucamide）相对含量显著下降（P 0.05），其差异倍数 FC 介于 1.2 1.5 倍之间（图 4 和图 5）。150 000100 000ABCKSN50 00050 0001.232 26*to 1100 000300 000150 0000150 0001.000 17*t1300 00000.20.40.60.81.01.2R2Q2150 00001.01.02.0R2=(0,0.351),Q2=(0,0.906)3.00注：A：OPLS-DA 模型得分分布图；B：OPLS-DA 模型排列置换检验结果（n=200）。Note：A:Score distribution of OPLS-DA model;B:OPLS-DA model permutation test results(n=200).图 3OPLS-DA 分析得分图及置换检验图Fig.3OPLS-DA analysis score chart and permutation test 1.51010PC 1(81.2%)PC 2(13.2%)CKQCSN1.010105.010905.01094.01092.010902.01094.01096.0109注：QC 为质控样本数据，只确保方法的稳定性与重复性，不参与分析。Note:QC is the quality control sample data,which only ensures the stability and repeatability of the method,not involved in analysis.图 2无监督主成分分析（PCA）图Fig.2Unsupervised principal component analysis(PCA)第 4 期高瑞敏等：氮肥对大豆根际土壤微生物群落和代谢的影响377 2.4土壤代谢物代谢途径不同施氮水平影响大豆根际不同土壤代谢物相互作用，形成不同的代谢途径（图 6）。不同处理的代谢相关通路包括：精氨酸生物合成（Arginine biosynthesis）、精氨酸和脯氨酸代谢（Arginine and prolinemetabolism）、谷胱甘肽代谢（Glutathione metabolism）、氨基酰基-tRNA 生物合成（Aminoacyl-tRNAbiosynthesis）、牛磺酸和亚牛磺酸代谢（Taurine and hypotaurine metabolism）、嘌呤代谢（Purinemetabolism）、氮代谢（Nitrogen metabolism）、丁酸盐代谢（Butanoate metabolism）、玉米素生物合成（Zeatin biosynthesis）、丙酮酸代谢（Pyruvate metabolism）、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成 表 2不同施氮处理下大豆根际土壤差异代谢物Table 2Differential metabolites in soybean rhizosphere soil under different nitrogen fertilizations代谢物MetabolitesVIP值VIP差异倍数Fold changelog2(FC)P值P value变化趋势Trends in changes芥酸酰胺Erucamide1.2550.7330.4480.01下调Down油酸酰胺Oleamide1.5401.5260.6100.001上调Up9,12-十八碳二烯醛9,12-Octadecadienal1.5401.5270.6110.001上调Up牛磺酸Taurine1.5401.7910.8410.001上调Up月桂酰胺Lauramide1.5392.1111.0780.001上调Up谷氨酸Glutamic acid1.5351.4540.5400.001上调Up胆碱Choline1.5261.2670.3420.001上调Up亚油酰胺Linoleamide1.5201.5600.6420.001上调Up大豆苷Daidzin1.5181.4440.5300.001上调Up腺嘌呤Adenine1.5051.7170.7800.001上调Up新补骨脂异黄酮Neobavaisoflavone1.4941.8580.8940.001上调Up瓜氨酸Citrulline1.4911.3240.4040.001上调Up癸酰胺Decanamide1.4691.4210.5070.001上调Up焦谷氨酸Pyroglutamic acid1.4681.4630.5490.001上调Up乙酰-肉碱Acetyl-carnitine1.4471.3120.3920.001上调Up黄豆黄素Glycitein1.4191.9820.9870.001上调Up肉碱Carnitine1.3861.2320.3010.001上调Up染料木素Genistein1.3481.6460.7190.01上调Up乳酸Lactic Acid1.3132.2111.1450.01上调Up次黄嘌呤Hypoxanthine1.3092.4611.2990.01上调Up4-胍基丁酸4-Guanidinobutyric acid1.2941.3240.4050.01上调Up精氨酸Arginine1.2791.4470.5330.01上调Up麦角硫因Ergothioneine1.2591.7500.8070.01上调Up白羊素Chrysin1.2133.5131.8130.01上调Up芒柄花素Formononetin1.1521.2970.3750.05上调Up3-羟基丁酸3-Hydroxybutyric acid1.0952.1041.0730.05上调Up甘露醇Mannitol1.0951.2950.3730.05上调Up大豆苷元Daidzein1.0261.3510.4340.05上调Up十六酰胺Hexadecanamide1.0071.2230.2900.05上调Up378土 壤 与 作 物第 12 卷（Phenylalanine,tyrosine and tryptophan biosynthesis）、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢（Glycine,serine andthreonine metabolism），这些通路主要参与大豆根际土壤氨基酸合成与碳水化合物代谢途径，其中精氨酸生物合成、精氨酸和脯氨酸代谢差异显著（P 0.05）。由表 2 可知，SN 处理下精氨酸生物合成途径中谷氨酸（L-Glutamate）、瓜氨酸（L-Citrulline）和精氨酸（L-Arginine）相对含量显著上升；精氨酸和脯氨酸代谢途径中除了精氨酸（L-Arginine）和谷氨酸（L-Glutamate）相对含量显著上升外，4-胍基丁酸（4-Guanidinobutanoate）的相对含量亦显著上升。864log10(P-value)20210log2(FC)123P-valueP-value-upP-value-down图 4差异代谢物火山图Fig.4Volcano of differential metabolites 芥酸酰胺 Erucamide乳酸 Lactic acid3-羟基丁酸 3-Hydroxybutyric acid大豆苷元 Daidzein染料木素 Genistein乙酰-肉碱 Acetyl-carnitine肉碱 Carnitine次黄嘌呤 Hypoxanthine麦角硫因 Ergothioneine芒柄花素 Formononetin十六酰胺 Hexadecanamide黄豆黄素 Glycitein新补骨脂异黄酮 Neobavaisoflavone癸酰胺 Decanamide焦谷氨酸 Pyroglutamic acid谷氨酸 Glutamic acid月桂酰胺 Lauramide牛磺酸 Taurine腺嘌呤 Adenine大豆苷 Daidzin胆碱 Choline瓜氨酸 Citrulline亚油酰胺 Linoleamide9,12-十八碳二烯醛 9,12-Octadecadienal油酸酰胺 Oleamide4-胍基丁酸 4-Guanidinobutyric acid精氨酸 Arginine白羊素 Chrysin甘露醇 MannitolCKSN2Z-Score20图 5差异代谢物聚类分析热图Fig.5Heatmap of cluster analysis for differential metabolites第 4 期高瑞敏等：氮肥对大豆根际土壤微生物群落和代谢的影响379 2.5土壤固氮微生物群落与差异代谢产物的相关性慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）、固氮氢自养单胞菌属（Azohydromonas）与超 85%的上调差异代谢物呈显著负相关关系（P 0.05），其中与上调代谢物 9,12-十八碳二烯醛（9,12-Octadecadienal）、油酸酰胺（Oleamide）、瓜氨酸（Citrulline）、月桂酰胺（Lauramide）、谷氨酸（Glutamic acid）、牛磺酸（Taurine）等超 60%的上调差异代谢物呈极显著负相关关系（P 0.01，图 7）。铁氧化属细菌（Sideroxydans）与超 90%的上调差异代谢物呈显著负相关关系（P 0.05），其中与乳酸（Lactic Acid）、胆碱（Choline）、月桂酰胺（Lauramide）、大豆苷（Daidzin）、腺嘌呤（Ade-nine）、谷氨酸（Glutamic acid）等超 70%的上调差异代谢物呈极显著负相关关系（P0.01）。弗兰克氏菌属（Frankia）与超 80%的上调差异代谢物呈显著负相关关系（P 0.05），其中与 3-羟基丁酸（3-Hy-droxybutyric acid）、染料木素（Genistein）、乳酸（Lactic Acid）、9,12-十八碳二烯醛（9,12-Octadecadi-enal）、谷氨酸（Glutamic acid）等超 55%的上调差异代谢物呈极显著负相关关系（P 0.01）。纤发菌属（Leptothrix）同超 65%的上调差异代谢物显著负相关（P 0.05），其中同精氨酸（Argi-nine）、芒柄花素（Formononetin）、十六碳酰胺（Hexadecanamide）、大豆苷（Daidzin）等超 10%的上调代谢产物呈极显著负相关关系（P 0.01）。固氮弯曲菌属（Azoarcus）、中华根瘤菌（Sinorhizobium）与超 60%的上调差异代谢物呈显著负相关关系（P 0.05），其中与 4-胍基丁酸（4-Guanidinobutyric acid）、9,12-十八碳二烯醛（9,12-Octadecadi-enal）、油酸酰胺（Oleamide）、亚油酰胺（Linoleamide）、胆碱（Choline）等超 25%的上调差异代谢物呈极显著负相关关系（P 0.01）。厌氧黏杆菌属（Anaeromyxobacter）与超 60%的上调代谢物呈显著负相关关系（P 0.05），其中与 4-胍基丁酸（4-Guanidinobutyric acid）、白杨黄素（Chrysin）、9,12-十八碳二烯醛（9,12-Octadecadienal）、油酸酰胺（Oleamide）、瓜氨酸（Citrulline）等超 30%的上调差异代谢物呈极显著负相关关系（P 0.01）。甲基胞囊菌属（Methylocystis）、甲基杆状菌属（Methylobacter）与超 55%的上调差异代谢物呈显著负相关关系（P 0.05），其中与 9,12-十八碳二烯醛（9,12-Octadecadienal）、油酸酰胺（Oleamide）、月桂酰胺（Lauramide）、癸酰胺（Decanamide）、焦谷氨酸（Pyroglutamic acid）、牛磺酸（Taurine）等超25%的上调差异代谢物呈极显著负相关关系（P 0.01）。Arginine biosynthesisButanoate metabolismD-Glutamine and D-glutamate metabolismGlutathione metabolismSynthesis and degradation of ketone bodiesArginine and proline metabolismNitrogen metabolismTaurine and hypotaurine metabolismAminoacyl-tRNA biosynthesisHistidine metabolismPurine metabolismPyruvate metabolismLysine degradationGlycolysis/GluconeogenesisAlanine,aspartate and glutamate metabolismPorphyrin and chlorophyll metabolismGlyoxylate and dicarboxylate metabolismGlycine,serine and threonine metabolismGlycerophospholipid metabolismPrimary bile acid biosynthesis02468富集比例Enrichment ratio10121400.10.20.30.40.5途径影响值Pathway impact0.60.7Arginine biosynthesisArginine and proline metabolismP value0.0010.30.5Glutathione metabolismTaurine and hypotaurine metabolismAminoacyl-tRNA biosynthesisNitrogen metabolismPurine metabolismAlanine,aspartate andglutamate metabolismGlyoxylate and dicarboxylate metabolismGlycerophospholipid metabolism2.52.01.5log10(P)1.00.5图 6特异代谢物代谢途径富集Fig.6Enrichment of metabolic pathway of specific metabolites380土 壤 与 作 物第 12 卷慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）、固氮氢自养单胞菌属（Azohydromonas）与下调差异代谢物芥酸酰胺（Erucamide）呈极显著正相关关系（P 0.01）；铁氧化属细菌（Sideroxydans）、弗兰克氏菌属（Frankia）、固氮弯曲菌属（Azoarcus）、甲基胞囊菌属（Methylocystis）、甲基杆状菌属（Methylobac-ter）与下调差异代谢物芥酸酰胺（Erucamide）呈显著正相关关系（P 0.05）。3讨论 3.1不同施氮处理对大豆根际代谢物质的影响土壤中的氨基酸、脂质、黄酮以及苯基丙类化合物等代谢产物对氮较敏感16。Shi 等17研究表明，施氮对枸杞中黄酮类、氨基酸、多糖等代谢产物有显著影响，其中黄酮类化合物随着施氮量的增加而显著上调。Zhen 等18研究表明，小麦高氮处理下参与氮代谢的氨基酸、碳水化合物、有机酸及脂质含量显著上调。Liu 等9研究表明，施氮处理下野生大豆根系中氨基酸类代谢物下调，糖醇、有机酸以及次生代谢类物质上调。本研究中 SN 处理相较于 CK 处理，96.6%（28/29）的差异代谢物上调，且以有机酸及其衍生物含量最高，而下调代谢物仅 1 种为脂肪酰基类化合物芥酸酰胺（Erucamide）。对于豆科作物，脂类物质对根瘤的形成和发育至关重要，脂肪酰胺类物质是一类含氮的脂溶性化合物，在豆科作物根部氮循环过程中充当碳底物以及复杂的信号传导功能1920，脂肪酰基类化合物多为脂肪酰胺类化合物，在施氮处理下该类化合物绝大多数情况下是上调的，是调节大豆根际与土壤关系的重要物质21。本研究中将差异倍数（FC）上调至 1.5 倍以上后，上调差异代谢物主要为脂肪酰基类化合物，而无下调差异代谢物，有关脂肪酰基类化合物的调节作用需要在以后的研究中开展深入研究。3.2不同施氮处理对大豆根际代谢通路的影响同一植物在响应不同环境条件时采取的策略往往不同，即根际代谢产物的途径和通路有差异22 24。本*3-Hydroxybutyric acidDaidzeinArginineMannitolHexadecanamideFormononetin4-Guanidinobutyric acidChrysinGlyciteinAcetyl-carnitineCarnitineNeobavaisoflavoneHypoxanthineGenisteinLactic AcidErgothioneine9,12-OctadecadienalOleamideCitrullineLinoleamideCholineLauramideDaidzinAdenineGlutamic acidPyroglutamic acidDecanamideTaurineErucamide0.75相关性Correlation0.500.2500.250.500.75代谢物分类Classification of metabolitesPolyketidesOrganic acidsFatty acylsNucleic acidsOrganic nitrogen compoundsOrganic heterocyclic compoundsCarbohydrateOthersSideroxydansAzohydromonasBradyrhizobiumAzoarcusLeptothrixSinorhizobiumAnaeromyxobacterMethylocystisMethylobacterFrankia图 7固氮菌相对丰度和差异代谢产物相关性热图Fig.7Heatmap of correlation between relative abundance of diazotroph and metabolites第 4 期高瑞敏等：氮肥对大豆根际土壤微生物群落和代谢的影响381 研究通过对不同施氮水平的大豆根际土壤代谢物分析，共得到 16 条相关代谢通路，其中有 7 条代谢通路同氨基酸合成有关，4 条同碳水化合物代谢相关，表明大豆根际土壤氨基酸合成与碳水化合物代谢受氮肥的影响较大。其中，精氨酸生物合成、精氨酸和脯氨酸代谢两条通路差异最为明显，参与该代谢通路的特异性代谢物均显著上调，谷氨酸、瓜氨酸、精氨酸均被富集到了该通路上。谷氨酸可为植物中含氮化合物的生物合成提供前体，精氨酸具有贮藏氮素营养的功能25 26。有研究表明在高硝态氮水平下，烟草根系中与苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成的相关基因表达量上调27。在本研究中 SN 处理下，富集至苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸生物合成等代谢通路的代谢物含量显著上调，因此氮素是调控根际氨基酸生物合成的重要因素28。3.3不同施氮处理对大豆根际土壤差异代谢产物与固氮微生物群落相关性的影响根际土壤中的代谢物来源多样，其中植物根系分泌物和微生物产生的次生代谢产物是根际土壤代谢产物的最主要来源1，而根系分泌物作为植物-根际微生物相互作用的介质，是微生物的重要营养来源29 30，其含量及其组成的变化能对根际微生物造成影响，同时根际微生物群落构成的不同又会对根系分泌物造成影响，二者相互作用，彼此影响4。以往的研究已证实，施氮会导致固氮微生物群落更容易受到外部环境的影响，从而改变共生关系5 7。慢生根瘤菌属、中华根瘤菌、固氮氢自养单胞菌属为属于革兰氏阴性变形菌，弗兰克氏菌属为丝状革兰氏阳性放线菌，这些固氮微生物均可作为土壤腐生菌或植物内生菌（根瘤内部）参与根际土壤氮循环31，对氮较为敏感，目前普遍认为在高氮水平下其丰度随供氮水平的增加而显著降低32 34。本研究中施氮 SN 处理与 CK 相比，显著降低了慢生根瘤菌属、固氮氢自养单胞菌属、中华根瘤菌属以及弗兰克氏菌属的相对丰度），主要是由于施氮肥改变了土壤理化性质或影响固氮微生物与其它土壤微生物间的竞争关系，从而直接或间接影响根际固氮微生物的丰度与组成35。进一步分析固氮微生物菌群与代谢物之间的相互关系表明，慢生根瘤菌属、固氮氢自养单胞菌属以及弗兰克氏菌属同大多数上调代谢物显著负相关，同下调差异代谢物显著正相关；中华根瘤菌属同大多数上调代谢物显著负相关（图 7）。SN 处理根际土壤代谢产物相对丰度增加，可能是由于施氮增加了土壤的速效氮含量，促使大豆向根系分泌更多有机物质，而这类有机物质可以通过充当根际微生物的简单碳底物、信号分子以及促进微生物活性等途径对根际微生物代谢以及群落结构产生影响2。结合代谢物与根际固氮微生物变化趋势表明，施氮处理可能通过提高土壤养分，影响根系分泌物，从而直接或间接对根际土壤固氮微生物群落结构产生影响。4结论不同施氮处理对大豆根际土壤固氮微生物群落结构组成和代谢物影响显著，施氮显著降低优势固氮菌的相对丰度，但有利于根际土壤中有机酸及其衍生物、脂肪酰基类化合物、聚酮类化合物等代谢物的积累。施氮处理下的优势固氮菌属同大多数特异性代谢物均有显著相关关系，其中慢生根瘤菌属、固氮氢自养单胞菌属以及弗兰克氏菌属同大多数上调代谢物呈显著负相关关系，同下调差异代谢物呈显著正相关关系；而中华根瘤菌属同大多数上调代谢物呈显著负相关关系。本研究有利于增加对根系分泌物和根际土壤固氮微生物在大豆生长发育过程中相互作用的了解，但施氮处理后，大豆根际土壤代谢产物的动态变化及其与根际土壤固氮微生物多样性、群落结构的关系仍需进行更加系统的研究。参考文献 (References)：ZHANG H L，HUANG M，ZHANG W H，et al.Silver nanoparticles alter soil microbial community compositions and metabolite profiles inunplanted and cucumber-planted soilsJ.Environmental Science and Technology，2020，54（6）：33343342.1382土 壤 与 作 物第 12 卷 MASSALHA H，KORENBLUM E，THOLL D，et al.Small molecules below-ground:the role of specialized metabolites in therhizosphereJ.The Plant Journal，2017，90（4）：788807.2 LU X K，MAO Q G，GILLIAM F S，et al.Nitrogen deposition contributes to soil acidification in tropical ecosystemsJ.Glo