叢枝菌根真菌與有機(jī)肥配施對(duì)甜玉米根際土壤關(guān)鍵碳循環(huán)功能基因的影響

袁銀龍，孫 杰，徐如玉，左明雪，顧文杰，盧鈺升，解開治，徐培智

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，廣東 廣州 510640）

0 引言

【研究意義】碳是有機(jī)體組成的必需元素，同時(shí)碳循環(huán)也是地球生物化學(xué)循環(huán)中重要的循環(huán)過程之一。微生物在碳循環(huán)過程中起著不可替代的作用，介導(dǎo)了包括碳分解、碳固定、甲烷代謝等3 個(gè)碳循環(huán)的基本過程[1-2]。而農(nóng)田土壤碳循環(huán)對(duì)農(nóng)田土壤肥力的形成與維持、農(nóng)田生產(chǎn)力的提高有著重要意義。土壤微生物是土壤碳循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)力，在土壤有機(jī)碳轉(zhuǎn)化和養(yǎng)分循環(huán)方面起著關(guān)鍵性作用[3]。因此，農(nóng)田土壤碳轉(zhuǎn)化的研究顯得日益重要，已逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)[4]。叢枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi, AMF）能促進(jìn)植物對(duì)多種營養(yǎng)元素的吸收和利用，并調(diào)節(jié)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)[5]。針對(duì)我國南方甜玉米栽培化肥施用量大、利用效率低的突出問題[6-7]，在大田條件下研究AMF 與有機(jī)肥配施對(duì)甜玉米根際土壤微生物碳循環(huán)功能基因的影響，明晰其對(duì)甜玉米-土壤碳循環(huán)的微生物學(xué)過程尤為重要。【前人研究進(jìn)展】田善義等[8]認(rèn)為有機(jī)無機(jī)肥配施能不同程度促進(jìn)參與碳循環(huán)的總體酶活性的增加，在滿足微生物和植物養(yǎng)分的同時(shí)可以提高土壤生物活性和生態(tài)代謝效率。前人研究表明[9]，菌根真菌不但具有重要的土壤碳匯功能，同時(shí)菌根真菌也可參與土壤復(fù)雜有機(jī)質(zhì)的降解過程。金海如等[10]研究發(fā)現(xiàn)不同有機(jī)物物料與根內(nèi)球囊霉配施，有利于增加玉米籽粒中磷素和氮素含量，也提高了可溶性糖、淀粉、蛋白質(zhì)和氨基酸等含量。徐如玉等[11]發(fā)現(xiàn)對(duì)不同施氮比例下增施摩西管柄囊霉（Funneliformis mosseae）可顯著提高甜玉米的氮肥利用效率，改變AM 真菌群落結(jié)構(gòu)，提高甜玉米產(chǎn)量，是甜玉米氮肥減量的有效途徑。徐麗嬌等[12]研究表明，低磷脅迫下AM真菌可能通過分泌物調(diào)控植物碳磷代謝相關(guān)基因的表達(dá)，進(jìn)而調(diào)節(jié)植物對(duì)低磷脅迫的生理響應(yīng)。目前，對(duì)于農(nóng)田土壤碳循環(huán)的研究多使用Biolog平板培養(yǎng)法，如通過對(duì)烤煙[13]、轉(zhuǎn)基因玉米[14]、燕麥[15]等根際土壤微生物利用不同碳源的能力來分析其碳代謝的能力。【本研究切入點(diǎn)】目前，關(guān)于利用功能基因芯片（GeoChip5.0）技術(shù)對(duì)碳循環(huán)的研究多集中在凍土、高寒草甸、深海等生態(tài)系統(tǒng)，對(duì)于農(nóng)田土壤碳循環(huán)的研究多使用Biolog 平板培養(yǎng)法。在農(nóng)田土壤碳循環(huán)中，尤其是利用GeoChip 對(duì)AMF配施有機(jī)肥下甜玉米根際土壤碳循環(huán)的研究甚少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究采用大田區(qū)組設(shè)計(jì)，利用功能基因芯片（GeoChip5.0）技術(shù)，研究AMF配施有機(jī)肥對(duì)甜玉米根際土壤碳循環(huán)微生物功能基因的影響，明晰甜玉米-土壤碳循環(huán)的微生物學(xué)過程，以期為甜玉米化肥減施增效提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地位于廣東省惠州市惠陽區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心試驗(yàn)基地（23°8′46.19″N，113°20′47.84″E），于2018 年春季開始，1 年春秋2 季栽培。試驗(yàn)區(qū)氣候類型為亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為13～22 ℃，年平均降水量800～1 500 mm，土壤類型為磚紅壤。試驗(yàn)開始前基本地力養(yǎng)分參數(shù)為有機(jī)質(zhì)含量22.8 g·kg-1，堿解氮191.54 mg·kg-1，有效磷49.56 mg·kg-1，速效鉀149.41 mg·kg-1，pH 值5.18。供試甜玉米（Zea Mays L.）品種為粵甜28 號(hào)，由廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所提供。供試菌種為變形球囊霉菌（Glomuse versiforme, BGC GD01C），購自北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所。變形球囊霉（Glomuse versiforme）菌劑含被侵染的甜玉米植物根段、菌根真菌孢子及根外菌絲的根際沙土混合物，其孢子密度為38 個(gè)·g-1。孢子的擴(kuò)繁參考孫丹萍等[16]和畢銀麗等[17]的方法進(jìn)行室內(nèi)盆栽砂土擴(kuò)繁，具體操作同參考文獻(xiàn)[11]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置7 個(gè)處理，每個(gè)處理設(shè)置3 個(gè)重復(fù)，共計(jì)21 個(gè)小區(qū)，各小區(qū)面積54 m2（4.5 m×12 m），隨機(jī)區(qū)組排列，甜玉米種植密度為45 000 株·hm-2，起壟種植。根據(jù)當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培方式優(yōu)化最佳施肥量為：氮肥（N）330 kg·hm-2、磷肥（以P2O5計(jì)）150 kg·hm-2、鉀肥（以K2O 計(jì)）225 kg·hm-2，具體施肥方案如表1。

表1 不同處理施肥方案Table 1 Fertilization treatments

試驗(yàn)于2019 年9 月18 號(hào)進(jìn)行幼苗移栽，甜玉米幼苗移栽時(shí)增施變形球囊霉菌菌劑，每株定植穴接種7 g；未接種菌劑的處理，每株接種無菌基質(zhì)7 g。

氮肥使用尿素，在基肥、苗期、拔節(jié)期分別以2∶3∶5 的比例施入；磷肥使用過磷酸鈣（P2O512%）一次性基施，鉀肥使用硫酸鉀（K2O 50%），在基肥和拔節(jié)期分別以5∶5 的比例施入。商品有機(jī)肥為廣州新農(nóng)科肥業(yè)科技有限公司生產(chǎn)，主要以優(yōu)質(zhì)堆肥原料牛糞、蘑菇渣、米糠等經(jīng)過高溫堆肥制備而成。經(jīng)測(cè)定，其養(yǎng)分含量分別為N 2%、P（P2O5）1.5%、K（K2O）1.5%。有機(jī)肥作為基肥一次性施入，施肥量為商品有機(jī)肥產(chǎn)品質(zhì)量，其他田間管理按照當(dāng)?shù)靥镩g管理模式進(jìn)行。

1.3 根際土壤采集方法

土壤樣品于成熟收獲期采集，每個(gè)小區(qū)選取5 株具有代表性的甜玉米植株將其整棵挖出，參照Zhao 等[18]的抖根法獲取甜玉米根際土壤約1 500 g，然后將土壤混合均勻分為2 份，一份室溫保存帶回風(fēng)干用于理化性質(zhì)的測(cè)定，一份放入無菌密封袋中用冰盒帶回用于甜玉米根際土壤微生物群落多樣性及碳循環(huán)功能基因的分析。

1.4 土壤理化性質(zhì)測(cè)定方法

土壤pH 值采用酸度計(jì)；全氮采用凱氏定氮法；全磷和全鉀經(jīng)消煮后，采用鉬銻抗比色法和火焰光度法；有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法；土壤速效磷采用氟化銨浸提（酸性土）鉬銻抗比色法；速效鉀采用乙酸銨浸提火焰光度法測(cè)定。以上土壤常規(guī)理化性質(zhì)均參照鮑士旦土壤農(nóng)化分析方法測(cè)定[19]；土壤呼吸采用室內(nèi)密閉培養(yǎng)法等進(jìn)行測(cè)定[20]。

1.5 甜玉米鮮苞測(cè)產(chǎn)

供試甜玉米鮮苞于2019 年秋季甜玉米生長的成熟期（12 月10 日）采集，各小區(qū)全部實(shí)收測(cè)產(chǎn)并折算為每公頃產(chǎn)量。

1.6 功能基因芯片分析

1.6.1 土壤DNA 的提取 DNA 提取和定量基因組DNA 由廣東美格基因生物技術(shù)有限公司（中國廣州）使用商業(yè)試劑盒（MinkaGene Soil DNA Kit），根據(jù)制造商的操作流程提取。DNA 質(zhì)量由NanoDrop One（Thermo Fisher Scientific， Waltham， USA）評(píng)估，最后DNA 濃度通過Pico Green 使用FLUOstar Optima 微板讀取器（BMG Labtech，Jena，Germany）進(jìn)行量化。

1.6.2 DNA 標(biāo)記雜交 用隨機(jī)引物和DNA 聚合酶I 的Klenow 片段對(duì)純化后的DNA 進(jìn)行Cy3 染色[21]。用QIA 快速純化試劑盒（Qiagen，Valencia，CA，USA）純化標(biāo)記的DNA，然后在Labconco 離心濃縮器（Labconco Corp，Kansas City，MO）中50 ℃干燥45 min。干燥后的DNA 稀釋至相同濃度，然后在95 ℃孵育5 min，并保持在42 ℃進(jìn)行雜交16 h。隨后，標(biāo)記的DNA 被放置到數(shù)組，雜交的數(shù)組預(yù)熱到42 ℃（MAUI，BioMicro Systems，Salt Lake City，UT，USA）至少5 min。最后，微陣列是由羅氏MS200 掃描儀掃描（Roche，Madison，WI，USA）獲取光信號(hào)。

1.6.3 數(shù)據(jù)的處理與標(biāo)準(zhǔn)化 利用ImaGene 6.0（Biodiscovery Inc.El Segundo，CA，USA）軟件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，得到探針信號(hào)強(qiáng)度。去除信噪比（SNR）＜2 的斑點(diǎn)。如果在至少2·3-1的復(fù)制集中檢測(cè)到探針的信號(hào)，則認(rèn)為探針為陽性。數(shù)據(jù)歸一化基于對(duì)數(shù)變換，確定每個(gè)樣本的平均信號(hào)強(qiáng)度，然后將每個(gè)探頭的強(qiáng)度按對(duì)應(yīng)樣本的平均強(qiáng)度進(jìn)行放大與歸一化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化后的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

1.7 數(shù)據(jù)分析與處理

圖表統(tǒng)計(jì)分析采用Excel 2013 和SPSS 24.0，GraphPad Prism 8 進(jìn)行作圖，施菌處理和有機(jī)無機(jī)配施水平及其交互作用的差異顯著性采用雙因素方差分析（Two-way ANOVA）進(jìn)行檢驗(yàn)（P＜0.05）；檢驗(yàn)不同處理之間的差異顯著性采用Duncan’s 多重檢驗(yàn)法進(jìn)行檢驗(yàn)（P＜0.05）；DCA 與RDA 分析和繪圖采用QIIME2 和ggplot2 包。

2 結(jié)果與分析

2.1 AMF 配施有機(jī)肥對(duì)甜玉米產(chǎn)量、土壤有機(jī)質(zhì)和土壤呼吸的影響

由表2 可見，在不施氮的情況下，單施菌肥的玉米鮮苞產(chǎn)量顯著大于對(duì)照處理（P＜0.05）；不同有機(jī)肥替代水平與優(yōu)化施肥的鮮苞產(chǎn)量無顯著差異，但與對(duì)照的差異比較明顯（P＜0.05），在有機(jī)肥替代水平上增施變形球囊霉菌后，發(fā)現(xiàn)同替代水平下均為施菌產(chǎn)量大于不施菌產(chǎn)量（P＜0.05），但同樣施菌水平下，不同替代水平的甜玉米鮮苞產(chǎn)量沒有顯著差異。在不施氮肥、有機(jī)肥替代10%化學(xué)氮肥、有機(jī)肥替代20%化學(xué)氮肥水平下，施用菌肥較不施用菌肥的鮮苞產(chǎn)量分別提升32.6%，8.6%、8.9%。有機(jī)質(zhì)與土壤呼吸均表現(xiàn)為有機(jī)肥替代20%化學(xué)氮肥處理高于其他處理，其中土壤呼吸指標(biāo)顯著高于其他處理（P＜0.05）。總體來看，同一有機(jī)肥替代水平下，施用菌肥顯著提高甜玉米產(chǎn)量。增施變形球囊霉菌和有機(jī)無機(jī)配施均極顯著地影響產(chǎn)量、土壤呼吸，但二者除土壤呼吸外均無顯著的交互效應(yīng)。

表2 不同施肥下甜玉米產(chǎn)量與理化性質(zhì)分析Table 2 Yield and physicochemical properties of sweet corn under different treatments

2.2 碳循環(huán)功能基因結(jié)構(gòu)特征

對(duì)7 個(gè)不同施肥處理碳循環(huán)基因的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行DCA 排序分析（圖1），可以看出7 個(gè)不同施肥處理在排序圖中沒有重疊，能夠清楚地分開，說明不同施肥處理下與碳循環(huán)有關(guān)的基因的結(jié)構(gòu)特征發(fā)生了明顯的變化。施用變形球囊霉菌的3 個(gè)處理均落在DC2 負(fù)半軸，不施菌肥的4 個(gè)處理，大多數(shù)在DC1 負(fù)半軸。相對(duì)來說，不施形球囊霉菌的4 個(gè)處理在距離上較近，它們的碳循環(huán)功能也更為接近。施用AMF 的3 個(gè)處理中，ORF20+AMF 與CK+AMF兩個(gè)處理在DC2 軸上的距離較近，因此ORF20+AMF與CK+AMF 兩個(gè)處理的關(guān)鍵碳循環(huán)功能基因的結(jié)構(gòu)組成接近。其中OF 與ORF20+AMF 處理在DC1 和DC2 軸上均有一定的距離，說明OF 與ORF20+AMF處理關(guān)鍵碳循環(huán)功能基因的結(jié)構(gòu)組成差異明顯。

圖1 碳循環(huán)功能基因結(jié)構(gòu)特征Fig.1 Structural characteristics of C-cycle genes

2.3 關(guān)鍵碳循環(huán)功能基因的標(biāo)準(zhǔn)化信號(hào)強(qiáng)度

21 個(gè)樣品中共檢測(cè)到169 911 個(gè)與碳循環(huán)有關(guān)的基因，其中碳分解115 575 個(gè)、碳固定49 677 個(gè)、甲烷代謝4 659 個(gè)。由圖2 可以看出，CK+AMF 與ORF20+AMF 處理的碳降解過程中淀粉（Starch）降解基因（amyA, amyx, pula）、半纖維素（Hemicellulose）降 解 基 因（mannanase, xyla, xylanase）、 纖 維 素（Cellulose）降 解 基 因（cellobiase, endoglucanase,exoglucanase）、幾丁質(zhì)（Chitin）降解基因（acetylglucosaminidase, chitinase）的信號(hào)強(qiáng)度顯著高于其他處理（P＜0.05）。淀粉作為最容易被微生物利用的碳源，在被檢測(cè)到的基因信號(hào)強(qiáng)度也是所有碳源中最高的，說明分解利用淀粉的微生物是最活躍也是數(shù)量占有優(yōu)勢(shì)的。在檢測(cè)到的19 個(gè)與碳分解有關(guān)的基因在處理間的差異均達(dá)到了顯著水平。總體而言，CK+AMF 是所有處理中碳分解基因信號(hào)強(qiáng)度最高的處理，ORF20+AMF 次之。

如圖3，參與碳固定的關(guān)鍵基因如rusbico、aclb、CODH 和pcc 在21 個(gè)樣品中均被檢測(cè)到。在檢測(cè)到的4 個(gè)碳固定的基因信號(hào)強(qiáng)度各處理間差異均達(dá)到顯著水平，全部表現(xiàn)為CK+AMF 最高，ORF20+AMF次之，ORF10 最低。參與甲烷生成的基因mcra、甲烷氧化的基因mmoX、pmoa 等3 個(gè)與甲烷代謝有關(guān)的基因在21 個(gè)樣品中均被檢測(cè)到。在參與甲烷代謝的3 個(gè)基因在不同處理間的變化趨勢(shì)與碳分解和碳固定保持一致，仍然表現(xiàn)為CK+AMF 最高，ORF20+AMF 次之，ORF10 最低，并且參與甲烷代謝的3 個(gè)基因在7 個(gè)處理中均差異顯著（P＜0.05）。

2.4 環(huán)境因子對(duì)微生物群落碳循環(huán)功能基因的影響

利用碳循環(huán)功能基因與土壤環(huán)境因子數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行冗余分析，可以反映土壤環(huán)境因子與土壤碳循環(huán)功能基因之間的關(guān)系及相關(guān)程度。由圖4 所示，圖4-a 第一排序軸和第二排序軸分別解釋了67.48%和29.84%，圖4-b 第一排序軸和第二排序軸分別解釋了67.48%和29.84%，都較好地解釋了碳循環(huán)功能基因強(qiáng)度與土壤環(huán)境因子之間的關(guān)系。

增施變形球囊霉菌的處理（圖4-a）在碳降解過程中，淀粉降解基因（amyA, amyx, apu）與土壤呼吸（SR）、全氮（TN）、有機(jī)質(zhì)（OM）、速效磷（AP）和全磷（TP）呈正相關(guān)；半纖維素降解基因（ara,mannanase, xylose-isomerase-Oomycetes）與全氮、有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)；纖維素降解基因（endoglucanase,exoglucanase）與土壤呼吸、全氮、有機(jī)質(zhì)、速效磷和全磷呈正相關(guān)；幾丁質(zhì)降解基因（acetylglucosaminidase, chitinase）與土壤呼吸、全氮、有機(jī)質(zhì)、全磷和速效磷呈正相關(guān)；果膠降解基因（RgaE）與速效鉀（AK）、全鉀（TK）和pH 呈正相關(guān)；木質(zhì)素降解基因（phenol-oxidase）與速效鉀、全鉀和pH 呈正相關(guān)；在碳固定過程中：rubisco、pcc 與全氮、速效磷、全磷和有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)；產(chǎn)甲烷（mcra）與土壤呼吸、速效鉀、pH 和全氮呈正相關(guān)；在甲烷代謝中甲烷氧化的mmox 與全鉀、土壤呼吸呈正相關(guān)；pmoa 與速效磷、全磷和有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)。

圖2 不同處理下碳降解的關(guān)鍵功能基因標(biāo)準(zhǔn)化相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度Fig.2 Normalized relative signal strength of key functional genes relating to C-degradation under different treatments

在不施變形球囊霉菌的處理（圖4-b）在碳降解過程中，淀粉降解基因（amyA, cda）與全氮、速效磷、全磷和有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)關(guān)系，與其他環(huán)境因子呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；半纖維素降解基因（ara, mannanase,xyla, xylanase）與速效鉀、pH、全氮、速效磷、全磷和有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)，與其他環(huán)境因子呈負(fù)相關(guān)，纖維素降解基因（cellobiase, endoglucanase,exoglucanase）與全鉀、速效鉀和土壤呼吸呈正相關(guān)，幾丁質(zhì)降解基因（acetylglucosaminidase）與全鉀、土壤呼吸呈正相關(guān)；果膠降解基因（RgaE, rgl）與全氮、速效磷、全磷、有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)，與其他環(huán)境因子呈負(fù)相關(guān)；木質(zhì)素降解基因（glx, ligninase,mnp）與速效鉀、pH、全氮、速效磷、全磷和有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)，與其他理化因子呈負(fù)相關(guān)。在碳固定過程中：rubisco、pcc 與全氮、速效磷、全磷和有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)，與其他環(huán)境因子呈負(fù)相關(guān)。在甲烷代謝過程中產(chǎn)甲烷（mcra）與土壤呼吸、速效鉀、pH 和全氮呈正相關(guān)，與其他環(huán)境因子呈負(fù)相關(guān)，甲烷氧化的mmox 基因與全鉀、土壤呼吸呈正相關(guān)，與其他環(huán)境因子呈負(fù)相關(guān)，pmoa 基因與速磷、全磷和有機(jī)質(zhì)呈正相關(guān)，與其他環(huán)境因子呈負(fù)相關(guān)。

圖3 不同處理下碳固定與甲烷代謝的關(guān)鍵功能基因標(biāo)準(zhǔn)化相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度Fig.3 Normalized relative signal strength of key functional genes relating to C-fixation and

圖4 碳循環(huán)基因與理化性質(zhì)的冗余分析Fig.4 Redundant analysis on carbon cycle genes and physicochemical properties

Monte Carlo 檢驗(yàn)顯示，在不增施變形球囊霉菌的處理中，土壤呼吸（P=0.024，解釋量為74.86%）、全鉀（P=0.024，解釋量為76.49%）對(duì)碳循環(huán)功能基因的影響最為顯著；在增施變形球囊霉的處理中，速效磷（P=0.002，解釋量為88.07%）、pH（P=0.016，解釋量為84.69%）、有機(jī)質(zhì)（P=0.004，解釋量為83.67%）、土壤呼吸（P=0.008，解釋量為80.21%）、全氮（P=0.006，解釋量為79.57%）、全磷（P=0.011，解釋量為76.33%）對(duì)碳循環(huán)功能基因的影響最為顯著。

3 討論

近年來，由于片面追求產(chǎn)量而過量施氮的施肥模式不僅造成了資源浪費(fèi)，還帶來了環(huán)境污染等一系列問題，也給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了重大的經(jīng)濟(jì)損失[22]。研究表明，AMF 與有機(jī)肥配施能在一定程度上促進(jìn)作物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用[5]，并且提高作物品質(zhì)[23-24]。通過AMF 與有機(jī)肥配施來調(diào)節(jié)作物利用養(yǎng)分方式與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)，從而達(dá)到維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展與利用率的提高。

前人研究表明，AMF 與有機(jī)肥配施對(duì)作物有極其顯著的增益效果。金海如等[10]在AMF 與有機(jī)肥配施的研究中發(fā)現(xiàn)，AMF 與有機(jī)肥配施能顯著提高甜玉米的產(chǎn)量與品質(zhì)；同樣，周世品[24]也發(fā)現(xiàn)有機(jī)無機(jī)肥配施和叢枝菌根化育苗對(duì)西瓜產(chǎn)量品質(zhì)有明顯的提高。本研究中，在CK、有機(jī)替代10%、有機(jī)替代20%施肥水平下，AMF 與有機(jī)肥配施較不施用菌肥的鮮苞產(chǎn)量分別提升32.6%、8.6%、8.9%。說明AMF 與有機(jī)肥配施能顯著提高甜玉米的產(chǎn)量。接種變形球囊霉菌后提高了作物對(duì)各種養(yǎng)分的利用能力和效率，促進(jìn)了甜玉米的生長，從而達(dá)到提高甜玉米產(chǎn)量的效果[5]。土壤呼吸是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中最活躍的部分，能在一定程度上反映土壤的物質(zhì)代謝強(qiáng)度、生物學(xué)特性以及土壤碳庫的穩(wěn)定性[25]。賀美等[26]通過對(duì)黑土長期定位的研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)無機(jī)配施能顯著提高土壤呼吸的強(qiáng)度，但本研究結(jié)果在CK、ORF10、ORF20 等3 個(gè)施氮水平上增施變形球囊霉菌后對(duì)土壤呼吸強(qiáng)度的提升最為明顯。最近的研究結(jié)果表明叢枝菌根真菌具有機(jī)質(zhì)降解的功能[27-28]，這可能也是ORF20+AMF 處理的土壤呼吸強(qiáng)度高于其他處理的原因。

土壤碳循環(huán)是地球生物化學(xué)循環(huán)過程中最重要，也是最復(fù)雜的循環(huán)過程之一[29]。本研究檢測(cè)到的參與碳分解過程的19 個(gè)基因的信號(hào)強(qiáng)度在各處理間均具有顯著差異，碳固定與甲烷代謝的7 個(gè)基因的信號(hào)強(qiáng)度在處理間具有顯著差異。研究結(jié)果表明，碳固定過程中，Calvin cycle（卡爾文循環(huán)）是二氧化碳固定的最主要途徑之一，在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，卡爾文循環(huán)存在于從細(xì)菌、真菌、藻類到綠色植物的各種生物體中[30]。在卡爾文循環(huán)中，RubisCO催化卡爾文循環(huán)中的第一步CO2固定反應(yīng)，使大氣中的CO2轉(zhuǎn)化為有機(jī)的細(xì)胞成分固定下來[31]。AclB和pcc 分別是編碼還原型三羧酸循環(huán)與3-羥基丙酸雙循環(huán)的功能基因[32]。本研究中4 種碳固定基因信號(hào)強(qiáng)度均表現(xiàn)為CK+AMF、ORF20+AMF 兩個(gè)處理大于其他處理，說明CK+AMF、ORF20+AMF 處理較其他處理有更強(qiáng)的固碳能力。Gifford 等[33]認(rèn)為陸地生態(tài)系統(tǒng)可以通過固碳來減緩CO2的增加，從而減緩氣候變化。但Van Groenigen 等[34]認(rèn)為陸地生態(tài)系統(tǒng)固碳的能力被高估了。同樣，在易降解碳到難降解碳的6 種碳源分解中，19 個(gè)與之相關(guān)的基因也表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，CK+AMF、ORF20+AMF 的基因信號(hào)強(qiáng)度總體上高于其他處理。Xue 等[35]研究表明，土壤中的有機(jī)碳含量隨著碳降解基因的增加而出現(xiàn)降低的趨勢(shì)，這說明碳降解基因豐度的增加能提高微生物對(duì)碳源的分解能力。土壤微生物介導(dǎo)的農(nóng)田土壤碳循環(huán)體現(xiàn)在溫室氣體的產(chǎn)生和溫室氣體的消耗兩個(gè)相反的方面，溫室氣體的生成包括CO2和CH4的生成，溫室氣體的消耗則包括CO2的固定和CH4的氧化[4]。部分學(xué)者[36-37]認(rèn)為增加的CO2也會(huì)刺激土壤N2O 和CH4的排放，而這些氣體的全球變暖潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于二氧化碳：N2O 比CO2高298 倍，CH4比CO2高25 倍。He 等[38]利 用GeoChip 技術(shù)對(duì)雪松灣自然保護(hù)區(qū)的土壤微生物在CO2升高下對(duì)固碳基因pcc 的影響進(jìn)行研究，結(jié)果表明隨著CO2濃度的增加，與固碳有關(guān)的pcc 和RubisCO 基因的信號(hào)強(qiáng)度也隨之增加。本研究中，AMF 與有機(jī)肥配施后CK+AMF、ORF20+AMF 處理無論是碳固定還是碳降解有關(guān)的基因相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度都顯著增加，說明在碳分解與固定能力上有了較大的提高。這可能會(huì)短期分解碳源增加，促進(jìn)植物生長。此外，本研究中碳固定基因豐度的增加有可能是碳分解產(chǎn)生更多的CO2刺激下的結(jié)果。

在以往利用GeoChip 的研究表明，檢測(cè)到的功能基因信號(hào)強(qiáng)度與環(huán)境養(yǎng)分含量有顯著的相關(guān)性，可以在一定程度上將微生物群落與生態(tài)系統(tǒng)過程和功能聯(lián)系起來[39-40]。前人研究認(rèn)為植物的多樣性與土壤養(yǎng)分是影響微生物功能結(jié)構(gòu)的重要環(huán)境因子[41-42]。本研究冗余分析顯示增施變形球囊霉菌和不增施裂區(qū)均解釋了97.32%的碳循環(huán)功能基因與環(huán)境因子之間的關(guān)系，說明所選的環(huán)境因子較好地解釋了碳循環(huán)功能基因與環(huán)境因子之間的相關(guān)程度。其中土壤呼吸、全鉀、速效磷等多種環(huán)境因子是影響碳循環(huán)功能基因的主要環(huán)境因素。Zhang 等[43]通過對(duì)高寒草甸微生物碳代謝功能基因的研究表明，全氮、全磷、pH 等土壤養(yǎng)分是影響微生物結(jié)構(gòu)和功能的主要因素。在施用變形球囊霉菌的處理中，pH以84.69%的解釋量與碳循環(huán)顯著相關(guān)。Rousk 等[44]也認(rèn)為土壤pH 是影響微生物功能的關(guān)鍵因子。土壤呼吸作為土壤碳循環(huán)過程的間接評(píng)估指標(biāo)，與碳循環(huán)有密不可分的關(guān)系[45-46]。在本研究中土壤呼吸無論是在施用變形球囊霉菌還是不施用變形球囊霉菌的處理中，都與碳循環(huán)基因具有顯著相關(guān)性。

4 結(jié)論

接種變形球囊霉菌配施有機(jī)肥與未接種變形球囊霉菌配施有機(jī)肥的處理相比顯著提高了土壤呼吸強(qiáng)度和甜玉米鮮苞產(chǎn)量；ORF20+AMF 處理在減施20%化學(xué)氮肥下甜玉米鮮苞產(chǎn)量顯著高于OF 處理，可作為推薦施肥方案。

接種變形球囊霉菌配施有機(jī)肥顯著增強(qiáng)碳降解過程中淀粉降解基因（amyA，amyx，pula）、半纖維素降解基因（mannanase，xyla，xylanase）、纖維素降解基因（cellobiase，endoglucanase，exoglucanase）、幾丁質(zhì)降解基因（acetylglucosaminidase）的強(qiáng)度。

接種變形球囊霉菌配施有機(jī)肥可顯著提高碳固定基因（rubisco，pcc，aclb）、甲烷代謝基因（mcra，mmox，pmoa）的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度。