蚯蚓能够增强钻土层（drilosphere）和根际（rhizosphere）中共生微生物群中的氮代谢能力

《Applied Soil Ecology》：Earthworms enhance nitrogen-metabolizing microbiota in drilosphere and rhizosphere co-occurrence networks

土壤动物蚯蚓通过改变土壤微域环境（钻通道微域和根际微域）影响微生物群落组成及氮代谢功能基因网络，促进土壤氮循环。研究发现蚯蚓活动显著提高土壤pH和磷有效性，导致功能菌群如Proteobacteria和Bacteroidetes丰度增加，并通过调控功能基因模块（如amoA、nifH）增强氮循环效率。

　　

杨刘|宁王|戴伟|彭俊伟|姚丹丹|邵金鹏|王辉

摘要

蚯蚓与植物在土壤生态系统中具有协同作用，并影响氮循环过程。然而，蚯蚓对根际微生物群落和氮代谢的影响仍不明确。本研究利用高通量测序技术来表征钻土层（drilosphere）中的微生物群落，并阐明功能性氮代谢基因如何响应蚯蚓活动和植物生长。结果表明，在受蚯蚓影响的土壤微域中，变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）的相对丰度增加，而帕特西细菌门（Patescibacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）的丰度减少。响应蚯蚓的微生物被聚类到细菌共现网络中的特定效应模块中。在钻土层中，这些模块与amoA、nrfA和nifH基因的丰度呈正相关；在根际中，它们与nifH基因的丰度呈正相关，但与nrfA和nirK基因的丰度呈负相关。氮循环功能群的富集与土壤pH值和养分水平的升高有关，尤其是可利用磷的含量。总体而言，蚯蚓活动调节了氮代谢微生物群落的丰度和组成，从而促进了氮循环。本研究为理解蚯蚓对土壤氮库和氮代谢微生物群的有益作用提供了基础，为养分缺乏土壤中的可持续农业提供了见解。

引言

氮是所有生物体的必需元素，是地球上生命的主要限制性营养素。除了少数固氮微生物外，大多数生物体依赖氨和硝酸盐等可利用形式的氮来生长。氮的可用性由一系列代谢多样的微生物调节，这些微生物介导了各种氮转化过程（Kuypers等人，2018年）。每公顷土壤中包含超过1000公斤的微生物碳，因此土壤微生物被认为是陆地生态系统中氮循环不可或缺的贡献者（Fierer，2017年；Nelson等人，2016年；Serna-Chavez等人，2013年）。除了土壤pH值、养分可用性和气候等非生物因素外，土壤微生物氮循环的稳定性还受到土壤动物群自上而下调控的影响（Fierer，2017年；Gao等人，2019年；Hoeffner等人，2018年）。因此，研究土壤动物群对微尺度土壤域中氮代谢微生物群的影响对于深入理解氮循环至关重要。

蚯蚓作为广泛分布的土壤大型动物（Phillips等人，2019年），是公认的土壤生态系统工程师（Blouin等人，2013年；Brussaard等人，2007年）。通过进食、打洞和排泄等活动，它们创造了如钻土层这样的生物活性微域，这些微域调节土壤微生物群落（Devliegher和Verstraete，1997年；Lavelle，1988年；Liu等人，2019年），并直接或间接影响土壤氮动态（Xue等人，2022年）。富含碳和磷的钻土层为微生物提供了有利栖息地，是土壤中最显著的微生物热点之一（Hoang等人，2020年；Kuzyakov和Blagodatskaya，2015年）。因此，它构成了氮代谢微生物群的关键生态位。

蚯蚓活动可以促进植物根系生长并调节与根系相关的微生物群落（Jacquiod等人，2020年；Kim等人，2017年），从而影响根际土壤中的氮循环。关于蚯蚓接种对根际微生物群落和氮循环的影响已有大量文献记载。例如，蚯蚓接种增加了Leptospermum scoparium、Kunzea robusta和L. perenne根际中的铵和硝酸盐含量（Kim等人，2015年）。Pontoscolex corethrurus的接种增强了甘蔗根际中编码一氧化二氮还原酶的nosZ基因的丰度（Braga等人，2016年）。此外，研究表明蚯蚓通过增加蚯蚓粪便和沙质及粘质土壤根际中nifH基因的丰度来促进固氮作用（Puga-Freitas等人，2023年）。钻土层和根际都是土壤中的微生物热点，具有重叠的生态位，覆盖了较大的土壤体积（Brown等人，2000年）。然而，这些区域之间的微生物群落及其相互作用仍研究不足。

钻土层和根际中的微生物群落之间存在直接和间接相互作用，如资源交换和功能耦合（Gong等人，2023年；Zheng等人，2020年）。共现网络分析已成为揭示这些潜在关系的有力工具（Deng等人，2012年）。这种分析方法在微生物生态学中得到广泛应用，例如用于研究蚯蚓肠道和粪便中的微生物群（Yang等人，2024年；Zhao等人，2023年），以及植物根际群落（Jacquiod等人，2020年），以识别关键群落模块和潜在的功能关联（Fan等人，2019年）。最近的研究表明，土壤中的微生物共现网络在蚯蚓肠道通过和粪便沉积后会发生结构变化（Yang等人，2024年）。尽管钻土层和根际传统上被视为独立的生态位，但越来越多的证据表明它们具有重叠的微环境和相互连接的微生物网络。然而，这些区域之间的微生物相互作用和群落级网络连通性及其在氮循环中的潜在作用仍很大程度上未被探索。

本研究利用高通量测序技术研究了蚯蚓接种对钻土层和根际土壤中细菌群落的影响。此外，还分析了微生物共现网络中氮循环功能模块的变化。我们假设：（1）蚯蚓接种会重塑钻土层和根际土壤中细菌群落的结构，导致优势细菌类群的丰度发生类似的变化；（2）蚯蚓接种会改变细菌共现网络，增强氮代谢功能模块，从而促进土壤氮循环。

实验部分片段

盆栽实验的建立和土壤采样

从位于中国江西省的中国科学院英潭国家农业生态系统野外试验站（28°15′20″N，116°55′30″E）的一个试验地块采集了典型的表层土壤（0–20厘米；干旱红壤），用于进行中型生态系统实验。根据美国土壤分类系统，该土壤被归类为Plinthudults。其物理化学性质列在表S1中。该试验地块连续三年施用了牛粪。

土壤性质的变化

在仅施用蚯蚓的处理中，与对照土壤相比，蚯蚓接种显著提高了钻土层土壤的pH值、总有机碳（TOC）、总氮（TN）和总磷（TP）水平（p < 0.05，图S1）。就活性养分而言，蚯蚓接种显著增加了土壤和钻土层中的NH₄⁺-N、NO₃^?-N和AP含量（p < 0.05）。

玉米种植后，蚯蚓接种显著提高了土壤和根际土壤的pH值（p < 0.05，图S2）。总有机碳（TOC）和总氮（TN）也有所增加

蚯蚓活动对土壤细菌群落的影响

作为微生物生存的重要地下生态位，钻土层是蚯蚓活动的综合结果。作为植物根系扩展的首选路径（Brown等人，2000年），钻土层的微生物特征值得研究，同时也要研究根际的微生物特征。我们的发现表明，蚯蚓活动不仅改变了土壤细菌群落的多样性、组成和结构，还扩展了其对...

结论

本研究探讨了蚯蚓在调节钻土层和根际土壤中微生物群落及氮代谢基因中的作用。土壤微生物组对不同程度蚯蚓影响的差异性反应对于理解地下土壤生态学至关重要，包括土壤微生物类群的分布和功能。这些发现表明，蚯蚓通过重塑微生物共现网络增强了土壤氮循环。

CRediT作者贡献声明

杨刘：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法学，调查，正式分析，数据管理。宁王：方法学，调查，数据管理。戴伟：软件。彭俊伟：方法学。姚丹丹：方法学。邵金鹏：调查。王辉：监督，资源，项目管理，方法学，资金获取，概念化。

资助声明

本研究得到了国家土壤与可持续农业重点实验室（SKLSSA2504）和国家重点研发项目（2021YFD1901202）的资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家土壤与可持续农业重点实验室（SKLSSA2504）和国家重点研发项目（2021YFD1901202）的资助。