トウモロコシ・大豆作付システムにおける長期耕うんと肥沃化処理に伴う微生物群集

Microbial Communities Associated With Long-Term Tillage and Fertility Treatments in a Corn-Soybean Cropping System.

• Ali Y Srour
• Hala A Ammar
• Arjun Subedi
• Mirian Pimentel
• Rachel L Cook
• Jason Bond
• Ahmad M Fakhoury

抄録

耕うんと施肥は、土壌肥沃度を向上させ、収量を増加させるための一般的な慣行である。しかし、土壌肥沃度を向上させるために微生物が関与する経路や生態学的なニッチについては、まだ十分に理解されていないのが現状である。本研究では、1970 年代に実施された長期の圃場調査において、従来型の長期耕うん・不耕起と 3 種類の肥沃度施肥（無施肥、N-only、NPK）が土壌微生物群集に及ぼす影響を調査した。ここでは、バクテリア、真菌、オオムシ類のマーカーのハイスループットシークエンシングを用いて、コミュニティレベルでの機能的・生態学的アセンブリーを行い、耕うんと施肥が関連する土壌マイクロバイオームに及ぼす影響を支配する原理を明らかにした。耕うんと肥料の両方が微生物群集構造を有意に変化させたが、耕うんの効果は肥料の効果よりも顕著であった。耕うんはバクテリア，真菌，フザリア，菌類のβ多様性に有意な影響を与えたが，肥料はバクテリアと真菌のβ多様性にのみ影響を与えた。本研究では，不耕起と施肥の違いが，特定の代謝経路のネットワークと異なる生態学的グループに好影響を与えていることを明らかにした。不耕起は、栄養分や資源を移動させ、病原体から宿主を守る有益な微生物を選択した。特に、不耕起土壌では、菌根菌、菌類寄生虫、線食性菌類を特徴とする生態学的群集が好まれ、耕起土壌では、真菌類の腐植菌や植物病原体が優勢であった。従来の耕うん・施肥管理では、群集は急速に成長する競争相手にシフトしていた。共栄養細菌とフザリウム種は、従来の耕起土壌でも肥料の存在下でも優占していた。メタゲノムを解析した結果，不耕起耕起ではエネルギー代謝，翻訳，補酵素やビタミンの代謝，糖鎖生合成，ヌクレオチド代謝に関連すると予測される経路がより多く存在することが明らかになった。さらに，不耕起栽培では，特定の経路が濃縮されていないことが明らかになった。このように、不耕起と肥料管理が微生物の多様性、構造、生態学的ニッチをどのように変化させるかを理解することは、土壌浸食や栄養損失を低減しながら、作物の収量を高く維持できる農業システムの設計に役立つと考えられる。

Tillage and fertilization are common practices used to enhance soil fertility and increase yield. Changes in soil edaphic properties associated with different tillage and fertility regimes have been widely examined, yet, the microbially mediated pathways and ecological niches involved in enhancing soil fertility are poorly understood. The effects of long-term conventional tillage and no-till in parallel with three fertility treatments (No fertilization, N-only, and NPK) on soil microbial communities were investigated in a long-term field study that was established in the 1970's. Here, we used high-throughput sequencing of bacterial, fungal and oomycetes markers, followed by community-level functional and ecological assembly to discern principles governing tillage and fertility practices' influence on associated soil microbiomes. Both tillage and fertilizer significantly altered microbial community structure, but the tillage effect was more prominent than the fertilizer effect. Tillage significantly affected bacteria, fungi, fusaria, and oomycete beta-diversity, whereas fertilizer only affected bacteria and fungi beta-diversity. In our study different tillage and fertilizer regimes favored specific networks of metabolic pathways and distinct ecological guilds. No-till selected for beneficial microbes that translocate nutrients and resources and protect the host against pathogens. Notably, ecological guilds featuring arbuscular mycorrhizae, mycoparasites, and nematophagous fungi were favored in no-till soils, while fungal saprotrophs and plant pathogens dominated in tilled soils. Conventional till and fertilizer management shifted the communities toward fast growing competitors. Copiotrophic bacteria and fusarium species were favored under conventional tillage and in the presence of fertilizers. The analysis of the metagenomes revealed a higher abundance of predicted pathways associated with energy metabolism, translation, metabolism of cofactors and vitamins, glycan biosynthesis and nucleotide metabolism in no-till. Furthermore, no specific pathways were found to be enriched under the investigated fertilization regimes. Understanding how tillage and fertilizer management shift microbial diversity, structure and ecological niches, such as presented here, can assist with designing farming systems that can maintain high crop yield, while reducing soil erosion and nutrient losses.

Copyright © 2020 Srour, Ammar, Subedi, Pimentel, Cook, Bond and Fakhoury.