研究背景
土壤退化是一個及其嚴重的全球問題，長期連作和濫用化肥會造成土質變差。全球范圍內，每年約有40%的農業土壤發生嚴重退化，24%的土壤仍在持續惡化。在中國，農業化肥的濫用導致土壤退化，造成土壤養分失衡、土壤酸化、污染物積累和生物多樣性下降等現象。但是關于土壤微生物群落對土壤退化及生態系統功能的反饋機制仍知之甚少。本文通過基因芯片與16S/18S rDNA多樣性測序結合的方法研究退化土壤中微生物類群和功能基因的轉變。
研究思路
樣本的選取
5個正常土壤：煙草生長情況良好，沒有病原菌感染的土壤。
5個退化土壤：發生酸化、煙草生長情況不好的被R. solanacearum感染的退化土壤。
選取的土壤深度為0-20cm，分別取自20個樣點混合后分成2份，1份用于DNA抽提，1份用于物化指標的測定。
煙草生長120d后，測定株高、莖粗、R. solanacearum感染率及發病程度。
研究結果
1、土壤的物化指標的測定結果發現，退化土壤中的磷含量、pH、尿素酶、蔗糖酶和過氧化氫酶活性顯著降低（P<0.05），詳見表1。
表1 土壤中的物化指標測定結果
該研究中16S /18S rDNA多樣性測序服務由伯豪生物提供
2、R. solanacearum感染率和植物生長情況表明，生長于退化土壤的煙草有85.48%發生了感染現象，但生長于正常土壤的煙草則沒有被感染，并且煙草生長良好。
表2 疾病程度、感染率株高、發芽率的測定結果
3、通過16S /18S rDNA多樣性測序發現退化土壤的微生物群落組成、結構和功能發生變化，與正常土壤相比，有益微生物減少，致病性微生物增加。
圖1 正常和退化土壤中微生物豐度的比較。（a）細菌的比較結果（b）真菌的比較結果
4、基因芯片（GeoChip 5.0）分析表明，退化土壤中涉及到毒力、應激反應、硫循環、植物細胞壁降解的潛在功能基因比正常土壤顯著增多，可能與土壤酸化、植物病害有關。
圖3 基因芯片分析的功能基因結果。（a）毒力相關基因（b）細胞壁降解相關基因
圖4 正常和退化土壤中與應激反應相關的基因差異結果。
5、通過CCA分析發現，正常土壤和退化土壤的微生物結構有差異。不同的理化因子對微生物的組成影響不同，AK、OM、pH和尿素酶活性起主要因素。
圖5 正常和退化土壤中微生物組成。
圖6 正常和退化土壤中微生物組成與土壤物化指標的關系。
研究結論
本項研究發現了一個退化土壤微生物群落組成和結構發生改變，同時土壤pH值和酶活性發生降低。此外，為了應對土壤酸化及其他不利環境因素，退化土壤的應激反應、毒力、硫代謝相關基因顯著增多，不利于有益微生物的生存。這些結果為我們更好地了解土壤微生物群落對土壤退化及生態系統功能的反饋機制提供了新的方向。