長期化学肥料のみの施肥は土壌細菌の多様性低下と深層選択を誘発する

Long-Term Chemical-Only Fertilization Induces a Diversity Decline and Deep Selection on the Soil Bacteria.

• Qicheng Xu
• Ning Ling
• Huan Chen
• Yinghua Duan
• Shuang Wang
• Qirong Shen
• Philippe Vandenkoornhuyse

抄録

肥料政策は土壌微生物群集の継承を促進することが知られているが、それに関与する集合規則はいまだに不明である。さらに、施肥体制が異なる土壌における微生物の「ジェネラリスト」と「スペシャリスト」の生態学的な役割については、これまで明らかにされていなかった。私たちは、長期施肥体制（少なくとも30年以上の施肥）が、土壌細菌の種の豊富さ、多様性、細菌の集合、ニッチの幅を変化させることによって、土壌細菌にどのような影響を与えるのかを探った。長期的に有機肥料を投入した場合と比較して、化学肥料のみの施肥を行った土壌は、炭素資源の量が少なく、より酸性の環境を有していた。このような強い環境制約が土壌細菌の貯留量を低下させ、その結果、専門家の割合が高く、決定論的プロセスのより強いシグネチャの両方で、検出可能な生態進化的変容をもたらした。全体として、本研究は、長期的な受精体制の下での細菌のゼネラリストとスペシャリストの集合規則の新しい包括的な理解を提供した。本研究はまた、現在の慣行農業のユビキタス農業である化学肥料のみの施肥が、本研究に含まれる北緯28度から北緯46度までの土壌微生物相を変容させる強力で類似した環境力を誘発していることを明らかにした。現在の慣行農業では、化学肥料のみの施肥が一般的に行われているが、その持続可能性が疑問視されるようになってきており、土壌の劣化が指摘されている。本研究では、化学肥料のみの長期施肥と有機肥料のみの長期施肥が土壌微生物層に与える影響を、多様性と誘導された集合体形成プロセスの両面から検討した。その結果、化学肥料のみの長期施肥では、土壌微生物群集に深い選択圧力がかかり、専門家の割合が高く、決定論的なプロセスの特徴が強くなることが示された。土壌微生物群集は、施肥体制の結果として明らかに変化した。このような生態系の進化的変化の機能的影響を農法に関連して診断することは、今後の農業を想像する上で、特に生態系の肥沃さの鍵を握る土壌微生物群集の保全・回復・管理のための将来の取り組みを考える上で重要な鍵となる。

Fertilization regimes are known to drive succession of the soil microbial community, whereas the assembly rules involved remain elusive. Moreover, the ecological roles of microbial "generalists" and "specialists" in soils with contrasting fertilization regimes have not been characterized. We explored how long-term fertilization regimes (i.e., treatments conducted for at least 30 years) impact the soil bacteria by modifying species richness, diversity, bacterial assembly, and niche breadth. Compared with long-term organic fertilizer input, the soils having undergone chemical-only fertilization contained smaller amounts of carbon resources and had a more acidic environment. This strong environmental constraint lowered the soil bacterial reservoir and resulted in a detectable ecoevolutionary transformation, with both a higher proportion of specialists and a stronger signature of deterministic processes. Overall, this study provided a new comprehensive understanding of the assembly rules of bacterial generalists and specialists under long-term fertilization regimes. This study also highlighted that chemical-only fertilization, a ubiquitous agricultural practice of current conventional agriculture, induced a strong and similar environmental force that transformed the soil microbiota from 28°N to 46°N included in this study. Chemical-only fertilization is ubiquitous in contemporary conventional agriculture despite the fact that sustainability of this agricultural practice is increasingly being questioned because of the current observed soil degradation. We explored how long-term chemical-only versus organic-only fertilizations impacted the soil microbiota reservoir in terms of both diversity and induced assembly processes. The results showed that long-term chemical-only fertilization resulted in deep selection pressure on the soil microbial community reservoir, with both a higher proportion of specialists and a stronger signature of deterministic processes. The soil microbiota has clearly changed as a consequence of the fertilization regime. The diagnoses of the functional consequences of these ecoevolutionary changes in relation to agricultural practices are key to imagining agriculture in the time ahead and especially regarding future efforts for the conservation, restoration, and management of the soil microbiota reservoir which is key to the fertility of the ecosystem.

Copyright © 2020 Xu et al.