科研 | SBB：菌根对氧化亚氮活性及反硝化的直接和间接影响
编译：艾奥里亚，编辑：小菌菌、江舜尧。
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氧化亚氮（N2O）作为十分重要的温室气体之一，其在农业土壤中以很高的速率排放。最近的一些研究表明，通过管理土壤微生物菌群（如菌根真菌），有可能减少农业系统中N2O的排放。但有关菌根如何影响N2O排放速率的研究较少。为了添补菌根调节N2O的形成和反硝化作用在机制方面的空白，基于丛枝菌根真菌（AMF）诱导土壤团聚体发生改变的间接结果，我们探究了丛枝菌根真菌（AMF）通过菌丝生长对潜在反硝化活性的直接影响。在控制变量实验中，以Rhizophagus Irrularis的形式通过添加或不添加AMF接种物来控制AMF的状态；通过粉碎土壤团聚体或使用具有完整土壤团聚体的农业土壤来调控土壤团聚体状态。随后种植Zea mays（玉米）4个月，在收获时发现，在添加Rhizophagus Irrularis的处理中，AMF根部定殖和菌丝密度增加了大约三倍。在未扰动的土壤和AMF菌丝密集的土壤中都表现出较高的潜在N2O活性速率和反硝化率。此外，AM-菌丝促进了土壤团聚，同时也改变了潜在的反硝化活性
论文ID
原名：Disentangling direct and indirect effects ofmycorrhiza on nitrous oxide activity and denitrification
译名：菌根对氧化亚氮活性及反硝化的直接和间接影响
期刊：Soil Biology and Biochemistry
IF：5.29
发表时间：2019.9
通讯作者：Stavros D. Veresoglou
作者单位：柏林自由大学
实验设计
结果
1 不同处理对AMF根定植、水稳性团聚体（WAS）和潜在反硝化活性的影响
R.irregularis成功地侵染了玉米植株的根部：实验4个月后，其在AMF处理中，在根部的侵染率平均为32%，而在非接种处理中为9%（图2a）。我们观察到的菌丝密度与Storer等人的研究相一致（图A1）。破碎土处理的WSA值在试验开始时在92%~333%之间，而在未扰动的土壤处理中，WSA值在63%~132%之间。这一数值在未扰动的土壤中显著高于其在破碎的土壤中的数值（F=12.5，P=0.005）（图2b）。与试验开始时的百分比相比，试验4个月后，土壤破碎处理以及未扰动的土壤的WSA百分比都有所增加。
我们发现土壤团聚体的调节导致了潜在N2O活性和反硝化率的差异（F值分别为59.9和109，P值均小于0.001）。这两个反硝化指标在WSA较高的未扰动的土壤中比WSA较低的破碎处理的土壤中要高（图2c和d）。与破碎土壤处理相比，未扰动的土壤中潜在的N2O活性大约高出8倍，而未扰动土壤处理中的反硝化率则比破碎土壤处理中的反硝化率高出约6倍（图2d）。
2 WSA和NO3−浓度在不同样本间的变化
WSA的最优模型包括AMF处理、土壤团聚体处理、它们的相互作用以及AMF菌丝密度等参数（表1）。在收获时，菌丝体网络相对密集的样品（F=11.8，P=0.006）以及土壤团聚体保持完整的样品（F=12.5，P=0.004）中的WSA值较高（图3）。AMF与土壤团聚体处理之间的交互作用并未表现出显著性差异。NO3−在破碎土壤处理中，在根域中的含量较低于根际中的NO3−的含量。
3 潜在N2O活性的差异
该部分研究最优模型包括除WSA以外的所有参数（表1）。菌丝体网络较密集的样品（F=43.14，P<0.001，图4a）和未扰动的土壤团聚体处理中（F=59.88，P<0.001，图4c）的潜在N2O活性率较高。菌根处理之间存在差异，但其与不同土壤团聚体处理之间的交互作用并未表现出显著性差异。
4 潜在的反硝化活性或总N2和N2O的潜在活性速率的差异
该部分研究最优模型包括除菌丝密度以外的所有可能的预测因子（表1）。然而，唯一有意义的预测因子是AM处理和土壤团聚体处理之间的相互作用（图5）。
5 反硝化率的差异
该部分最优模型参数包括：土壤聚集处理和菌丝密度（表1）。在菌丝体网络相对密集的土壤样品（F=53.62，P<0.001）和未扰动的土壤团聚体中（F=109.03，P<0.001，图4d），氧化亚氮占反硝化终产物的比例较高。我们观察到反硝化率之间的关系斜率上的差异以及接种与未接种之间WSA上的差异（图4）。
6 解决根系生长对反硝化的混合影响
根际小室中的植物根系可以掩盖菌根对反硝化作用的影响。为了探究这种情况是否存在，我们在最优模型的混合效果中添加了划分小室和AM参数之间的相互作用项。这些条件均未表现出显著水平，表明土壤根际和根域土壤中的菌根对反硝化作用的影响相似。
讨论
1 AMF显著增加WSA
丛枝菌根对土壤团聚体的积极作用目前已有报道。尽管本研究采用的是富含养分的农业土壤，但我们也发现了相似的效果。本研究中，菌丝密度的对数转化值和WSA之间的平均斜率超过2.2（图3），这一结果表明AMF对土壤团聚体具有很强的影响。因此，我们的研究表明，特别是在农业中，AM真菌菌丝有助于生态系统过程，即土壤团聚体的形成。
2 AMF菌丝密度对N2O活性的影响
当AMF相对丰富较高时，我们发现具有较高的N2O活性，但这也依赖于土壤聚集状态（图4a，c）。这一结果表明菌根对促进N2O排放表现出明显的影响。我们最初的假设是，AMF菌丝密度会通过各种方式改变土壤条件，例如以NH4+的形式向植物寄主输送交换性氮，从而降低其在土壤中的相对有效性，进而降低N2O的潜在活性。但由于本研究采用的是高肥力的农业土壤，此外在实际分析过程中，我们分析了潜在的反硝化活性而非实际的反硝化速率，这导致了我们和上述研究之间的差异。在添加AMF菌剂的处理中，较高的AMF菌丝密度可能导致土壤氮浓度的下降。
有研究发现AMF可以改变反硝化群落的群落结构。也有研究发现，N2O产生的关键基因之一nirK的丰度与AMF的丰度表现出负相关关系，N2O的消耗与AMF的丰度呈正相关关系，这表明N2O的调控是由AMF诱导的土壤微生物群落的变化介导的。但我们却观察到相反的趋势。潜在N2O活性的增加可能是由菌丝层中的菌丝沉积和菌丝周转驱动的，菌丝体可能被当做碳源从而被一些反硝化细菌和其他微生物利用。在诸多AMF为研究对象的研究中，多数采用无菌土壤进行（去除现有AMF菌群），并重新接种，但这会改变反硝化速率。本研究的独特之处是没有对土壤进行消毒。因此，在完整的水稳性团聚体处理中，关于细菌群落结构和土壤团聚体状态，我们有一个更加现实和稳定的体系。基于此点，我们很难将我们的结果与其他相关研究进行比较。
3 AMF介导的土壤团聚增加促进了潜在的N2O活性
我们证明了WSA和潜在的N2O活性之间有很强的相关性关系。这主要归因于在保持中土壤团聚体状态完整的情况下，NO3-的有效性较低。此外，我们观察到接种和未接种的土壤之间潜在N2O活性速率与WSA之间关系在斜率上存在差异。因此，从长远来看，任何AMF介导的WSA变化都应该影响潜在的反硝化活性。
高土壤结构土壤在干燥时会抑制土壤通气，但在土壤湿润时会促进土壤通气。本研究中观察到的由于添加AMF而产生的较高比例的WSA可能有利于土壤湿润时的土壤通气。AMF菌丝在土壤中可能增加了O2向土壤团聚体和土壤基质内部的扩散速率，同样也促进了土壤结构。氧化亚氮还原酶的产生和活性取决于缺氧条件，因此，在盆栽试验过程中，土壤曝气可能增强了潜在的N2O活性。相比之下，破碎处理的土壤中，低O2浓度和扩散可能有利于完全反硝化作用，导致较低的N2O产生，并表现为，与未扰动土壤相比其潜在的N2O活性较低。此外，通过形成大团聚体，AMF可能在这些土壤的团聚体内部产生厌氧区，从而有利于反硝化作用并刺激反硝化细菌的生长。
4 AMF共生对反硝化率的影响
基于本研究我们发现，丛枝菌根直接和间接改变了反硝化率。然而，我们观察到反硝化率随着AMF丰度的增加而增加，这与我们之前的假设相反。一些研究报告表明，反硝化率与N2O排放率之间表现出正相关关系。我们的研究结果支撑了这一观点，这意味着反硝化率主要取决于潜在的N2O活性速率。本研究中，添加丛枝菌根可能通过改变反硝化微生物群落的结构和N2O还原酶的潜在活性，改变了潜在的N2O活性速率，进而改变了反硝化率。
此外，本研究还表明，当保持土壤团聚体完整时，具有高AMF菌丝密度的土壤样品的反硝化率增加。基于本实验研究数据，我们得出结论，在高AMF菌丝密度和完整土壤中，反硝化过程中N2O还原的潜在活性较低。相反，在低AMF丰度和破碎处理的土壤中，反硝化过程中N2O还原的活性较高，从而降低潜在的N2O活性以及反硝化率。
基于本研究结果，我们推测了AMF改变反硝化比率的三点机制。
① 潜在活性的变化以及由此产生的反硝化率的改变可能是由于反硝化微生物群落对AMF丰度以及AMF诱导的土壤聚集性变化的响应而发生的变化。
② AMF和土壤团聚体可能改变了土壤中N2O还原酶的产生，从而导致反硝化率的差异。
③ 当AMF丰度较高时，促进了较高的反硝化率的原因可能是AMF引起的土壤界面非均匀性的增加。
总结
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