张英俊教授团队揭示蘑菇圈真菌加速土壤氮循环提升草地生产力的作用机制

  2024年9月15日，国际土壤学经典权威期刊Soil Biology and Biochemistry发表了中国农业大学草业科学与技术学院张英俊教授团队的研究论文 “Discovering the role of fairy ring fungi in accelerating nitrogen cycling to promote plant productivity in grasslands”。该研究发现，草原蘑菇圈圈上区域羊草等禾本科植物的快速生长，导致植物群落生物量比其他区域平均高54.41%，进而呈现出颜色较深、植物高度增加的草带（图1）。植物群落生物量的增加源于蘑菇圈真菌显著提高了植物可利用养分浓度，特别是土壤中铵态氮和硝态氮的浓度（表1）。

图1 蘑菇圈4个区域取样示意图和植物生长差异

表1 蘑菇圈4个区域土壤理化性质和酶活性的差异

  为进一步揭示蘑菇圈真菌提升土壤中植物可利用氮浓度的作用机制，进行了高通量测序、宏基因组测序、实时荧光定量PCR分析。结果表明，蘑菇圈真菌的出现使真菌的整体丰度增加了108.51%，降低了其他腐生型真菌、共生型真菌和未定义真菌的相对丰度，重构了土壤真菌群落。真菌丰度的提高，增加了土壤胞外酶活性（NAG），从而提高土壤铵态氮浓度（图2）。

图2 蘑菇圈4个区域的土壤微生物丰度及其与铵态氮的相关关系

  通过分析参与氮循环的功能基因丰度（图3）发现，蘑菇圈真菌的出现并没有提高氮固定和编码脲酶有机氮代谢的基因丰度。这意味着蘑菇圈中铵态氮的增加不是来源于生物固氮和尿素分解微生物，而主要是通过胞外酶NAG矿化有机氮来实现的。较高浓度的铵态氮促进了硝化微生物（氨氧化古菌中的亚硝基古菌）增殖，增强硝化作用来提高硝态氮浓度。然而蘑菇圈真菌的出现对反硝化过程的基因丰度无显著影响，这意味着蘑菇圈真菌虽然增加了硝态氮浓度但可能并没有增加N损失的风险。

图3 蘑菇圈4个区域土壤氮循环相关功能基因丰度的差异

  因此，在温性草原生态系统中，蘑菇圈真菌作为“生态系统工程师”，是土壤N循环的驱动因子，通过提高胞外酶NAG活性和amoA基因丰度，促进有机氮矿化和硝化作用，增加土壤中铵态氮和硝态氮浓度，从而提高植物对N吸收并增加生产力（图4）。因此，蘑菇圈真菌作为有益微生物在植物生产和草地可持续发展中具有巨大的开发潜力。

图4 在菌丝前沿区域蘑菇圈真菌对氮循环影响的示意图

  我校草业科学与技术学院刘沫含博士为该论文第一作者，张英俊教授和杨高文教授为该论文的共同通讯作者，中国农业大学为通讯单位。山西大学魏雨其老师和德国柏林自由大学Matthias C. Rillig教授，为该论文的完成提供了大力支持和帮助。合作者还包括美国俄克拉荷马州立大学Gail W.T. Wilson教授，中国农业大学资源与环境学院张俊伶教授，草业科学与技术学院刘楠教授、贾善刚副教授和连露博士。该研究得到了国家自然科学基金重大项目的支持。

  原文链接：Mohan Liu, Yuqi Wei, Lu Lian, Junling Zhang, Nan Liu, Gail W.T. Wilson, Matthias C. Rillig, Shangang Jia, Gaowen Yang, Yingjun Zhang, 2024. Discovering the role of fairy ring fungi in accelerating nitrogen cycling to promote plant productivity in grasslands. Soil Biology and Biochemistry 199, 109595.

DOI: https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2024.109595