新型解磷菌促进矿业退化土地生态修复后土壤磷素循环

Novel phosphate-solubilizing bacteria enhance soil phosphorus

cycling following ecological restoration of land degraded by mining

新型解磷菌促进矿业退化土地生态修复后土壤磷素循环

Abstract：Little is known about the changes in soil microbial phosphorus (P) cycling potential during terrestrial ecosystem management and restoration, although much research aims to enhance soil P cycling. Here, we used metagenomic sequencing to analyse 18 soil microbial communities at a P-deficient degraded mine site in southern China where ecological restoration was implemented using two soil ameliorants and eight plant species. Our results show that the relative abundances of key genes governing soil microbial P-cycling potential were higher at the restored site than at the unrestored site, indicating enhancement of soil P cycling following restoration. The gcd gene, encoding an enzyme that mediates inorganic P solubilization, was predominant across soil samples and was a major determinant of bioavailable soil P. We reconstructed 39 near-complete bacterial genomes harboring gcd, which represented diverse novel phosphate-solubilizing microbial taxa. Strong correlations were found between the relative abundance of these genomes and bioavailable soil P, suggesting their contributions to the enhancement of soil P cycling. Moreover, 84 mobile genetic elements were detected in the scaffolds containing gcd in the 39 genomes, providing evidence for the role of phage-related horizontal gene transfer in assisting soil microbes to acquire new metabolic potential related to P cycling.

在陆地生态系统管理和恢复过程中，尽管许多研究旨在促进土壤P循环，但土壤微生物磷(P)循环潜力的变化知之甚少，。在这里，我们利用元基因组测序技术对中国南方一个低磷退化矿区的18个土壤微生物群落进行了分析，在该矿区，使用了两种土壤改良剂和八种植物进行了生态恢复。结果表明，恢复地土壤微生物磷循环潜力的相对丰度高于未恢复地，表明恢复后土壤磷循环增强。gcd基因编码一种介导无机磷溶解的酶，在土壤样品中占主导地位，是土壤生物有效磷的主要决定因素。我们构建了39个几乎完整的细菌基因组，它们代表了不同的解磷微生物新类群。这些基因组的相对丰度与土壤有效磷之间存在很强的相关性，表明它们对土壤磷循环的促进作用。此外，在39个基因组中检测到84个可移动的遗传元件，这为噬菌体相关的水平基因转移在帮助土壤微生物获得与磷循环相关的新的代谢潜力中所起的作用提供了证据。

Introduction

长期以来，磷(P)一直被认为是陆地生态系统中仅次于氮(N)的第二大限制植物生长的养分[1，2]。与这一传统观点相反，越来越多的证据表明，磷限制对陆地生态系统的影响与氮限制一样[3，4]。例如，一项对173项陆地研究的全球荟萃分析表明，陆地生态系统中植物对磷添加的反应与对氮添加的反应没有显著差异[3]。尽管如此，在陆地环境中的亚生境(如森林、草原、冻土带和湿地)之间，植物对磷和/或氮添加的反应存在很大的差异[3]，这表明土壤对磷或氮的限制更多地取决于所考虑的特定生态系统。然而，尽管磷和氮限制的相对大小仍然存在争议[5，6]，但毫无疑问，磷限制在陆地生态系统中是普遍存在的[7]。此外，对50项陆地研究的另一项全球荟萃分析表明，陆地生态系统中的植物对磷添加的反应在高氮条件下比在环境氮条件下更明显，这表明在未来大气氮沉降增加的情况下，陆地生态系统中的磷限制将变得更加明显[8]。因此，缓解陆地磷限制日益被认为是生态系统管理和恢复的主要优先事项[5，9]。严重退化的生态系统，如废弃的雷区，其土壤养分水平极低，包括磷[10-12]。

恢复这些生态系统需要恢复土壤磷循环[12，13] 此外，深入了解这类生态系统生态恢复过程中的土壤磷循环将有助于缓解陆地生态系统中磷的限制[5，9]。然而，大多数关于严重退化矿区恢复过程中土壤养分循环的研究几乎都集中在氮[14-16]上，生态恢复对土壤磷循环的影响在很大程度上是未知的。更令人惊讶的是，即使在退化土地的更广泛的背景下，也很少关注这样的恢复努力之后的土壤磷循环。有趣的是，有证据表明，在废弃、退化的农地上重建的森林中的土壤磷循环，即使在重新造林50多年后也没有恢复[17]，尽管这种模式背后的机制研究很少。微生物在土壤磷循环中起着不可或缺的作用，因为它们是生物有效磷的中介[18-20]。由于其高活性，土壤中的磷可以以许多无机和有机的形式存在，这些形式对植物的吸收是顽固的[21]。与植物相比，微生物似乎具有更多样化的代谢能力，以提高土壤中各种顽固性磷形态的生物可获得性[18-20]。一方面，一系列微生物衍生的酶，如酸性磷酸酶(由olpA编码)、碱性磷酸酶(Phod)、植酸酶(Appa)、磷酸酶(Phnx)和C-P裂解酶(PhnJ)，可以从难降解的有机磷中释放出游离的正磷酸盐[18-20]。另一方面，柠檬酸、甲酸、葡萄糖酸、苹果酸和草酸等多种有机酸参与了难降解无机磷的微生物增溶作用[18-20，22]。在这些有机酸中，葡萄糖酸是这一过程中最重要的，并得到了广泛的研究[18，20]。葡萄糖脱氢酶(GCD)是生产葡萄糖酸的主要酶，其编码方式为GCD[22，23]，而其他有机酸参与难溶性无机P微生物增溶的遗传基础却鲜为人知[18，20]，这一点早已为人们所熟知，但GCD是一种主要的葡萄糖酸生产酶，其编码形式为GCD[22，23]，而其他有机酸参与难溶性无机P微生物增溶的遗传基础却知之甚少[18，20]。然而，探索土壤微生物对难溶磷形态的遗传潜力是更好地理解驱动土壤磷循环的基本机制的重要一步[12，13，24]。事实上，越来越多的证据表明，上述基因广泛存在于各种陆地环境中，包括草原、森林和耕地和休闲地[25-27]。在所有这些基因中，gcd最近被发现是占主导地位的基因[25，26]，元基因组学的最新进展不仅使得同时检测参与土壤养分循环过程的多个基因成为可能，而且也为获得对土壤功能有重要意义的新的未耕作微生物物种的基因提供了可能性[24，28]。为了阐明土壤微生物在生态恢复过程中控制土壤磷循环的遗传机制，我们利用以基因组为中心的元基因组学方法，探讨了严重退化缺磷矿区生态恢复过程中土壤微生物磷循环电位变化的方式和原因。由于退化土地缺乏发达的土壤[12]，其生态恢复对于模仿和加速初级演替的自然过程至关重要[10，13]。这意味着在生态恢复的早期阶段，很大一部分土壤磷可能与土壤矿物结合(即以顽固性无机磷为主)。本研究是在九江市西南约22 km(29°40‘52’N)的严重退化矿区(即尾矿库)进行的，gcd基因编码了一种主要参与难溶无机磷形态微生物溶解的酶，是土壤磷循环(特别是溶磷)的微生物发生潜力的主要代表。本研究是在九江市西南约22 km(29°40‘52’N，)的一个严重退化的矿区(即尾矿库)进行的，gcd基因编码了一种参与顽固无机磷形态微生物溶解的主要酶。这块土地已经荒废了八年多，土壤仍然非常酸性(pH2.5，表1)。以前有报道说，在退化土地中心约4000平方米的面积内实施了生态恢复计划[29]。简而言之，揭示目标区分为20个地块，每个地块5×40米，每块地块之间有1米的人行道。土壤改良剂(石灰：20tha−1；鸡粪：40tha−1)在每块10 cm深的地块上添加，以改善植物生长的基质条件。鸡粪中全磷和生物有效磷的含量(干重)分别为18.5g kg−-1和1.03g kg-1。在改良的种子或种子尾渣上种植了8种植物(包括毛蒿、苎麻、狗牙根、高羊茅、紫羊茅、百喜草、刺槐和田菁)，

Sample collection

样本采集于2016年7月和2017年进行，分别代表修复治疗实施后3年和4年。在每个取样日，随机抽取3块复垦样地进行取样。每块样地从再生尾矿改性层(0-10 cm，ALRT)和未改性层(11-20 cm，ULRT)各采集1个土样。在3个样地旁的0-10 cm深度的未复垦尾矿(UT)中也采集了1个土样作为对照。将ULRT纳入这项研究的一个主要原因是它为我们理解驱动土壤磷循环的微生物机制提供了一些超越了本研究的时间框架的线索。这一推测是基于观察到，