Phân bón nitơ ảnh hưởng đến vi khuẩn sử dụng carbon nguồn gốc từ thực vật trong vùng rễ của cây giống sồi

Springer Science and Business Media LLC - Tập 407 - Trang 203-215 - 2016
Silvia Gschwendtner1, Marion Engel1,2, Tillmann Lueders3, Franz Buegger4, Michael Schloter1
1Research Unit Environmental Genomics, German Research Center for Environmental Health (GmbH), Helmholtz Zentrum München, Neuherberg, Germany
2Research Unit Scientific Computing, German Research Center for Environmental Health (GmbH), Helmholtz Zentrum München, Neuherberg, Germany
3Institute of Groundwater Ecology, German Research Center for Environmental Health (GmbH), Helmholtz Zentrum München, Neuherberg, Germany
4Institute of Biochemical Plant Pathology, German Research Center for Environmental Health (GmbH), Helmholtz Zentrum München, Neuherberg, Germany

Tóm tắt

Các hệ sinh thái rừng có thể đóng vai trò là bể chứa hoặc nguồn phát thải CO2 trong khí quyển. Trong khi việc bón phân nitơ vô cơ (N) làm tăng sinh khối cây cối trên mặt đất, các hiệu ứng lên vi sinh vật đất và vùng rễ vẫn chưa rõ ràng, cho thấy các biến đổi có thể không thể đoán trước trong các quy trình chu chuyển dinh dưỡng duy trì chức năng hệ sinh thái. Mặc dù carbon (C) bắt nguồn từ thực vật là nguồn C chính trong đất trong suốt thời kỳ sinh trưởng, thông tin về phản ứng của vi khuẩn vùng rễ tiếp nhận các chất thải từ rễ trước tình trạng tăng cường sẵn có N trong đất chủ yếu cho cây cối vẫn còn thiếu. Chúng tôi đã thực hiện một thí nghiệm trong nhà kính với các cây giống sồi trẻ được đánh dấu bằng 13C-CO2 được trồng dưới các mức bón phân N khác nhau. Phương pháp Khảo sát Đồng vị Carbon DNA Stable (DNA-SIP) kết hợp với TRFLP và giải trình tự pyrosequencing đã giúp chúng tôi xác định các vi khuẩn tiếp nhận C nguồn gốc từ thực vật và đánh giá các phản ứng chính theo hệ thống phân loại. Mặc dù việc phân bổ C từ quang hợp gần đây cho cả trên và dưới mặt đất không thay đổi, thành phần cộng đồng vi sinh vật vùng rễ đã bị ảnh hưởng rõ rệt bởi việc bón phân. Hơn nữa, chúng tôi phát hiện việc tích hợp 13C vào sinh khối vi sinh vật trong đất bón phân thấp hơn. Hơn nữa, có thể thấy rằng chỉ một tập hợp nhỏ vi sinh vật vùng rễ đã tích hợp C vừa được cố định vào DNA của chúng, chủ yếu là từ Proteobacteria (Alpha- và Betaproteobacteria) và Actinobacteria (Actinomycetales). Kết quả của chúng tôi cho thấy rằng việc bón phân N có thể thay đổi cả sự đa dạng của các cộng đồng vi khuẩn sử dụng chất thải từ rễ và tỷ lệ tiếp nhận các chất quang hợp vừa được cố định gần đây. Với sự tương tác chặt chẽ giữa vi sinh vật hữu ích và/hoặc gây hại và cây trồng trong vùng rễ, điều này có thể có những hệ quả tích cực hoặc tiêu cực cho năng suất cây trồng trong dài hạn.

Từ khóa

#hệ sinh thái rừng #bón phân nitơ #vi khuẩn vùng rễ #carbon nguồn gốc từ thực vật #sinh khối vi sinh vật

Tài liệu tham khảo

Ai C, Liang G, Sun J, Wang X, He P, Zhou W, He X (2015) Reduced dependence of rhizosphere microbiome on plant-derived carbon in 32-year long-term inorganic and organic fertilized soils. Soil Biol Biochem 80:70–78 Bach HJ, Tomanova J, Schloter M, Munch JC (2002) Enumeration of total bacteria and bacteria with genes for proteolytic activity in pure cultures and in environmental samples by quantitative PCR mediated amplification. J Microbiol Methods 49:235–245 Ball AS, Drake BG (1997) Short-term decomposition of litter produced by plants grown in ambient and elevated atmospheric CO2 concentrations. Glob Chang Biol 3:29–35 Bowden RD, Davidson E, Savage K, Arabia C, Steudler P (2004) Chronic nitrogen additions reduce total soil respiration and microbial respiration in temperate forest soils at the Harvard Forest. Forest Ecol Manag 196:43–56 Bulgarelli D, Rott M, Schlaeppi K, van Themaat EVL, Ahmadinejad N, Assenza F, Rauf P, Huettel B, Reinhardt R, Schmelzer E, Peplies J, Gloeckner FO, Amann R, Eickhorst T, Schulze-Lefert P (2012) Revealing structure and assembly cues for Arabidopsis root-inhabiting bacterial microbiota. Nature 488:91–95 Donn S, Kirkegaard JA, Perera G, Richardson AE, Watt M (2015) Evolution of bacterial communities in the wheat crop rhizosphere. Environ Microbiol 17:610–621 Erisman JW, de Vries W (2000) Nitrogen deposition and effects on European forests. Environ Rev 8:65–93 Fierer N, Schimel JP, Holden PA (2003) Variations in microbial community composition through two soil depth profiles. Soil Biol Biochem 35:167–176 Fierer N, Bradford MA, Jackson RB (2007) Toward an ecological classification of soil bacteria. Ecology 88:1354–1364 Fisk MC, Fahey TJ (2001) Microbial biomass and nitrogen cycling responses to fertilization and litter removal in young northern hardwood forests. Biogeochem. 53:201–223 Forge TA, Simard SW (2001) Short-term effects of nitrogen and phosphorus fertilizers on nitrogen mineralization and trophic structure of the soil ecosystem in forest clearcuts in the southern interior of British Columbia. Can J Soil Sci 81:11–20 Giardina CP, Binkley D, Ryan MG, Fownes JH, Senock RS (2004) Belowground carbon cycling in a humid tropical forest decreases with fertilization. Oecologia 139:545–550 Gschwendtner S, Esperschütz J, Buegger F, Reichmann M, Müller M, Munch JC, Schloter M (2011) Effects of genetically modified starch metabolism in potato plants on photosynthate fluxes into the rhizosphere and on microbial degraders of root exudates. FEMS Microbiol Ecol 76:564–575 Gschwendtner S, Leberecht M, Engel M, Kublik S, Dannenmann M, Polle A, Schloter M (2015) Effects of elevated atmospheric CO2 on microbial community structure at the plant-soil interface of young beech trees (Fagus sylvatica L.) grown at two sites with contrasting climatic conditions. Microb Ecol 69:867–878 Hernández M, Dumont MG, Yuan Q, Conrad R (2015) Different bacterial populations associated with the roots and rhizosphere of rice incorporate plant-derived carbon. Appl. Environ, Microbiol Jandl R, Lindner M, Vesterdal L, Bauwens B, Baritz R, Hagedorn F, Johnson DW, Minkkinen K, Byrne KA (2007) How strongly can forest management influence soil carbon sequestration? Geoderma 137:253–268 Joergensen RG (1995) The fumigation-extraction method to estimate soil microbial biomass: extraction with 0.01 M CaCl2. Agribiol Res 48:319–324 Kalyuzhnaya MG, Lapidus A, Ivanova N, Copeland AC, McHardy AC, Szeto E, Salamov A, Grigoriev IV, Suciu D, Levine SR, Markowitz VM, Rigoutsos I, Tringe SG, Bruce DC, Richardson PM, Lidstrom ME, Chistoserdova L (2008) High-resolution metagenomics targets specific functional types in complex microbial communities. Nat Biotechnol 26:1029–1034 King JS, Pregitzer KS, Zak DR, Holmes WE, Schmidt K (2005) Fine root chemistry and decomposition in model communities of north-temperate tree species show little response to elevated atmospheric CO2 and varying soil resource availability. Oecologia 146:318–328 Kuzyakov Y (2002) Review: factors affecting rhizosphere priming effects. J Plant Nutr Soil Sci 165:382–396 Linn DM, Doran JW (1984) Effect of water-filled pore space on carbon dioxide and nitrous oxide production in tilled and nontilled soils. Soil Sci Soc Am J 48:1267–1272 Ludwig W, Strunk O, Westram R, Richter L, Meier H, Yadhukumar BA, Lai T, Steppi S, Jobb G, Forster W, Brettske I, Gerber S, Ginhart AW, Gross O, Grumann S, Hermann S, Jost R, Konig A, Liss T, Lussmann R, May M, Nonhoff B, Reichel B, Strehlow R, Stamatakis A, Stuckmann N, Vilbig A, Lenke M, Ludwig T, Bode A, Schleifer KH (2004) ARB: a software environment for sequence data. Nucl Acids Res 32:1363–1371 Lueders T, Manefield M, Friedrich MW (2004a) Enhanced sensitivity of DNA- and rRNA-based stable isotope probing by fractionation and quantitative analysis of isopycnic centrifugation gradients. Environ Microbiol 6:73–78 Lueders T, Wagner B, Claus P, Friedrich MW (2004b) Stable isotope probing of rRNA and DNA reveals a dynamic methylotroph community and trophic interactions with fungi and protozoa in oxic rice field soil. Environ Microbiol 6:60–72 Majdi H, Andersson P (2005) Fine root production and turnover in a Norway spruce stand in Northern Sweden: effects of nitrogen and water manipulation. Ecosystems 8:191–199 Majdi H, Kangas P (1997) Demography of fine roots in response to nutrient applications in a Norway spruce stand in Southwestern Sweden. Ecoscience 4:199–205 Majdi H, Ohrvik J (2004) Interactive effects of soil warming and fertilization on root production, mortality, and longevity in a Norway spruce stand in Northern Sweden. Glob Chang Biol 10:182–188 Mao Y, Li X, Smyth EM, Yannarell AC, Mackie RI (2014) Enrichment of specific bacterial and eukaryotic microbes in the rhizosphere of switchgrass (Panicum virgatum L.) through root exudates. Environ Microbiol Rep 6:293–306 Marx M, Buegger F, Gattinger A, Zsolnay Á, Munch JC (2007) Determination of the fate of 13C labelled maize and wheat exudates in an agricultural soil during a short-term incubation. Eur J Soil Sci 58:1175–1185 Mendes LW, Kuramae EE, Navarrete AA, van Veen JA, Tsai SM (2014) Taxonomical and functional microbial community selection in soybean rhizosphere. ISME J 8:1577–1587 Peiffer JA, Spor A, Koren O, Jin Z, Tringe SG, Dangl JL, Buckler ES, Ley RE (2013) Diversity and heritability of the maize rhizosphere microbiome under field conditions. Proc Natl Acad Sci U S A 110:6548–6553 Percival DC, Proctor JTA, Sullivan JA (2001) Cultivar differences in carbon assimilation and partitioning of primocane-fruiting raspberry. J Am Pomol Soc 55:82–89 Phillips RP, Fahey TJ (2007) Fertilization effects on fineroot biomass, rhizosphere microbes and respiratory fluxes in hardwood forest soils. New Phytol. 176:655–664 Pilloni G, Granitsiotis MS, Engel M, Lueders T (2012) Testing the limits of 454 pyrotag sequencing: reproducibility, quantitative assessment and comparison to T-RFLP fingerprinting of aquifer microbes. PLoS One 7:e40467 Prescott CE, Corbin JP, Parkinson D (1992) Immobilization and availability of N and P in the forest floors of fertilized Rocky Mountain coniferous forests. Plant Soil 143:1–10 Raaijmakers JM, Paulitz TC, Steinberg C, Alabouvette C, Moenne-Loccoz Y (2009) The rhizosphere: a playground and battlefield for soilborne pathogens and beneficial microorganisms. Plant Soil 321:341–361 Ramirez KS, Craine JM, Fierer N (2012) Consistent effects of nitrogen amendments on soil microbial communities and processes across biomes. Glob Chang Biol 18:1918–1927 Sauer D, Kuzyakov Y, Stahr K (2006) Spatial distribution of root exudates of five plant species as assessed by C14 labeling. J Plant Nutr Soil Sci 169:360–362 Schloss PD (2009) A high-throughput DNA sequence aligner for microbial ecology studies. PLoS One 4(12):e8230 Stinson G, Kurz WA, Smyth CE, Neilson ET, Dymond CC, Metsaranta JM, Boisvenue C, Rampley GJ, Li Q, White TM, Blain D (2011) An inventory-based analysis of Canada's managed forest carbon dynamics, 1990 to 2008. Glob Chang Biol 17:2227–2244 Tamm CO (1991) Nitrogen in terrestrial ecosystems: questions of productivity, Vegetational changes, and ecosystem stability. Springer, Berlin, Germany Treseder KK (2008) Nitrogen additions and microbial biomass: a meta-analysis of ecosystem studies. Ecol Lett 11:1111–1120 Vance ED, Brooks PC, Jenkinson DS (1987) An extraction method for measuring soil microbial biomass C. Soil Biol Biochem 19:703–707 Wallenstein MD, Peterjohn WT, Schlesinger WH (2006) N fertilization effects on denitrification and N cycling in an aggrading forest. Ecol Appl 16:2168–2176 Werner RA, Brand WA (2001) Referencing strategies and techniques in stable isotope ratio analysis. Rapid Commun Mass Spectrom 15:501–519 Wertz S, Leigh AKK, Grayston SJ (2012) Effects of long-term fertilization of forest soils on potential nitrification and on the abundance and community structure of ammonia oxidizers and nitrite oxidizers. FEMS Microbiol Ecol 79:142–154 Yanai RD, Majdi H, Park BB (2003) Measured and modelled differences in nutrient concentrations between rhizosphere and bulk soil in a Norway spruce stand. Plant Soil 257:133–142 Yue JC, Clayton MK (2005) A similarity measure based on species proportions. Commun Stat 34:2123–2131 Zhu B, Panke-Buisse K, Kao-Kniffin J (2015) Nitrogen fertilization has minimal influence on rhizosphere effects of smooth crabgrass (Digitaria ischaemum) and bermudagrass (Cynodon dactylon). J Plant Ecol 8:390–400