菌群+代谢+QIIME2基因云联手助力JHM土壤新作！

  通过田间盆栽试验，研究自制的聚合物改良剂施用后土壤性质、土壤酶活性、微生物和线虫群落、土壤代谢组学的变化，以及土壤性质、微生物和线虫群落之间的关系。

  最近，派森诺与石河子大学合作，在《Journal of Hazardous Materials》上发表论文，研究了镉（Cd）胁迫下聚合物改良剂对土壤微生物演替和生态位分化的代谢调控。本研究使用派森诺基因云的微生物组QIIME 2分析平台（），并通过菌群+代谢的多组学整合研究方法，主要探讨了3个问题：

  1. 在Cd污染土壤中，应用聚合物改良剂对土壤生物多样性和微生物群落演替的影响是什么？

  3. 聚合物改良剂如何通过土壤微生物群落演替和生态位分化来调节土壤代谢，降低Cd对植物的胁迫？

  镉污染严重威胁着农业生产。高浓度Cd，特别是交换性Cd（Ex-Cd）会极度影响土壤微环境。因此探索土壤微环境对镉污染土壤的响应具备极其重大意义；

  固体改良剂虽能大大降低Ex-Cd浓度，但是它并不是完全水溶性的，不能通过滴灌系统应用。而聚合物改良剂具有水溶性高、吸附效率高、利用率高等特点，可在滴灌系统中大范围的应用，从而可取代固体改良剂；

  测定土壤微生物群落组成可以验证改良剂对镉污染土壤的影响。此外，土壤线虫与土壤微生物之间有较强的相互作用，土壤微生物可以影响线虫对Cd胁迫的响应。因此，土壤中Cd浓度的变化能够最终靠土壤微生物和线虫来反映；

  土壤代谢组学可以将有机/无机化合物与土壤微生物群落结合起来，全面解释土壤微生物的实际功能。此外，土壤代谢物可作为土壤污染的生物标志物，苹果酸、富马酸、天冬氨酸和谷氨酸在土壤Cd迁移中起最大的作用，这些代谢物也是微生物碳和能量的来源。因此，分析土壤微生物群落组成和土壤代谢产物有助于进一步探索土壤中复杂的生物通路；

  棉花是主要的经济作物之一，它对土壤中Cd的吸收、转运和积累作用显著。开花期和铃期是棉花生长的旺盛时期，棉花在这一时期也大力吸收和运输Cd。已有研究证实，作物生育期对土壤微生物群落结构有显著影响，根际微生物数量高峰出现在开花期和成铃期。因此，探索棉花花期利用液体聚合物改良剂修复Cd污染土壤的机理，阐明其潜在的生物学机制具备极其重大意义。

  分析方法：基于QIIME 2的派森诺基因云分析（结合DADA2序列处理得到ASV）

  通过田间盆栽试验，研究自制的聚合物改良剂施用后土壤性质、土壤酶活性、微生物和线虫群落、土壤代谢组学的变化，以及土壤性质、微生物和线虫群落之间的关系。

  该数据代表了不同处理下土壤FTIR光谱中主要吸收峰的相对强度。PA处理下，增强了土壤硅酸盐中Si-O-Si的v3拉伸振动和苯环=C-H的非平面（摇摆）变角振动。苯环可与金属离子形成表面络合；硅酸盐可降低Cd的毒性。因此，研究推测，聚合物改良剂可降低土壤中Cd的生物有效性。

  通过测定不同处理下根系生长指标、Cd浓度变化、土壤的理化性质等，发现与CK相比，Cd处理降低了根重和根体积，提高了根中Cd浓度（Ex-Cd、Carb-Cd、Ox-Cd、Org-Cd和Res-Cd）；土壤有机碳浓度、有机碳储量、氮浓度和氮储量降低，C/N比增加（Ex-Cd浓度的增加主要是由于土壤C/N比增加，说明较高的C/N比能大大的提升Cd的生物有效性）。

  与Cd处理相比，PA处理下根体积增加了12.31%，Ex-Cd的浓度降低了41.43%，而Carb-Cd、Org-Cd和Res-Cd的浓度分别增加了146.27%、8.66%、76.00%；土壤中有机碳浓度、有机碳储量、氮浓度和氮储量增加，C/N比降低。最后的相关分析表明，根体积与Ex-Cd呈负相关；根重与Ex-Cd、Org-Cd呈负相关；根中Cd浓度与Ex-Cd、Carb-Cd、Ox-Cd、Org-Cd和Res-Cd都呈正相关。综上说明，该聚合物改良剂可调节镉污染土壤的Cd组分和土壤性质。

  首先，通过测定土壤中细菌和真菌多样性组成谱，以反映不同处理下的菌群变化。其中，放线菌能够最终靠改变根际Cd的形态来改变Cd的生物有效性。为了探讨放线菌对Cd的响应，从细菌群落中分离放线菌群落并单独进行分析。

  通过PCoA分析发现，CK/Cd/PA三组之间有显著差异。同时，通过Alpha多样性分析能够准确的看出，与CK相比，Cd处理下的细菌Chao1指数、真菌Shannon指数和真菌Pielou_e指数均有所降低；而在PA处理下，细菌Chao1指数、细菌Shannon指数、真菌Shannon指数、真菌Pielou_e指数和放线指数均有增加。以上根据结果得出，PA和Cd组中菌群发生了变化；进而通过LEfSe分析，寻找不同处理下土壤中关键微生物群落的差异，结果再次表明PA可改变Cd污染土壤中菌群的组成。

  对土壤中线虫群落多样性组成谱做多元化的分析发现，与CK相比，Cd处理下线指数、Shannon指数、Pielou_e指数均降低；而在PA处理下这些指数均有所增加，与Cd组形成鲜明对比。同时，PCoA分析也反映出Cd组和PA组之间有显著差异。

  本研究还通过相关性分析，进一步寻找不同取食偏好的线虫和菌群之间的相关性。

  本研究同时通过代谢组学分析，获得不同处理下的差异代谢物。为进一步了解这些DEMs之间的相互作用，进行KEGG富集分析及土壤中核苷酸和碳水化合物代谢网络分析。根据结果得出，Cd污染显著抑制了核苷酸的代谢途径，这可能会引起核苷酸代谢异常。然而，聚合物改良剂的应用调控了Cd污染土壤中微生物碳水化合物和核苷酸的代谢途径，加强了土壤ECO功能的恢复。

  由于土壤微生物群落和线虫群落对不同处理的响应不同，土壤微生物群落、关键微生物群落和线虫群落、代谢产物和根系特征之间的相互作用也存在一定的差异。因此，能够最终靠共现网络表现出它们之间较为复杂的相互作用。根据结果得出，在Cd处理下，土壤性质的变化主要受到土壤代谢物（肾上腺素、D-果糖、蔗糖、乳梨糖和乙酰乙酸）的影响；同时，关键细菌（Steroidobacter、Longimicrobiaceae、Saccharimonadales）、关键放线菌（Nonomuraea）和关键线虫（Rhabdolaimus）也对土壤特性的变化响应积极，从而形成新的生态位。PA处理调节了土壤特性，并与特定的菌群（与LEfSe分析的结果一致）和代谢物（二氢尿嘧啶和4-羟基肉桂酸）相互作用。同时，LEfSe分析显示，PA处理中Verticillium和Tricharina的相对丰度远高于CK组和Cd处理组，网络分析也显示Verticillium和Tricharina与土壤特性紧密关联，说明该聚合物改良剂对真菌Verticillium和Tricharina有显著的调控作用，提示真菌通过聚集和菌根缔合在土壤理化肥力中发挥重要功能。

  1)首先，聚合物改良剂能改善土壤微生物、碳水化合物和核苷酸的代谢，调节碳水化合物和核苷酸的代谢途径，优化微生物与线虫群落的关系和土壤特征；

  2)其次，聚合物改良剂的化学官能团（苯环、硅酸盐和CO32-能够更好的降低土壤中Cd的生物有效性，而Cd组分的变化将进一步导致土壤生态位的变化；

  总之，本研究证明了该液体聚合物改良剂可以轻松又有效地降低土壤中Cd的毒性，可用于农田重金属的修复，因而具备极其重大的实践意义。