Deep vertical rotary tillage increases the diversity of bacterial communities and alters the bacterial network structure in soil planted to corn

IF 1.5 4区 农林科学 Q4 SOIL SCIENCE
Wanyu Xia, Xiaoyue Ren, Yanyun Chen
{"title":"Deep vertical rotary tillage increases the diversity of bacterial communities and alters the bacterial network structure in soil planted to corn","authors":"Wanyu Xia, Xiaoyue Ren, Yanyun Chen","doi":"10.1139/cjss-2021-0208","DOIUrl":null,"url":null,"abstract":"Abstract Deep vertical rotary tillage (DVRT) is a novel technique; however, its influence on soil bacterial diversity and community structure remains unclear. Herein, it was hypothesized that this tillage method significantly improves the bacterial diversity and alters the bacterial community structure and therefore it supports enhanced soil ecosystem functions in cultivated land. We investigated the soil bacterial communities and performed molecular ecological network analysis of cultivated land soils under different tillage regimes using high-throughput 16S rRNA gene Illumina sequencing. Soil samples were collected from the experimental field under 2 treatments: DVRT and conventional rotary tillage (CT) in Shizuishan City, Ningxia, China, in a 2-year field experiment. The α-diversity indices showed that DVRT resulted in higher bacterial diversity. In addition, the principal coordinate analysis results revealed a clear separation among the groups of cultivated land soils under the 2 treatment regimes. The key physicochemical factors that significantly influenced bacterial diversity and community structure were pH and total potassium concentration. The network analysis indicated that the bacterial network of DVRT soils consisted of more functionally interrelated bacterial modules than that of soils under CT, and the topological roles of characteristic bacteria and key bacteria were also different. In relation to CT, the relative abundances of organisms belonging to the functional groups of “Xenobiotics biodegradation and metabolism”, “Signal transduction”, and “Metabolism of cofactors and vitamins” were significantly increased in cultivated land soils under DVRT. It was concluded that DVRT treatment could improve bacterial diversity, alter the bacterial network structure, and enhance potential ecosystem functions in soils of cultivated land. Résumé Le labour rotatif vertical en profondeur (LRVP) est une nouvelle technique dont on connaît mal l’incidence sur la diversité et la structure de la microflore tellurique. Les auteurs ont formulé l’hypothèse que cette pratique améliore la diversité des bactéries et modifie la structure de leur population, donc améliore le fonctionnement de l’écosystème dans les terres cultivées. Pour le vérifier, ils ont examiné la microflore du sol et procédé à une analyse moléculaire du réseau écologique dans les terres cultivées selon différents régimes de travail du sol. L’analyse reposait sur la méthode Illumina de séquençage à haut débit des gènes de l’ARNr 16S. Les échantillons de sol venaient d’une parcelle soumise à deux régimes (LRVP et binage rotatif classique ou BR) dans le cadre d’une expérience sur le terrain de deux ans à Shizuishan, dans la régions autonome du Ningxia, en Chine. Les indices alpha de la diversité montrent que le LRVP accroît la diversité de la population bactérienne. En outre, les résultats de l’analyse en coordonnées principales révèlent une nette distinction entre les groupes présents dans les sols soumis aux deux régimes. Les principaux facteurs physicochimiques qui exercent une influence notable sur la diversité et la structure de la microflore sont le pH et la concentration totale de potassium (KT). L’analyse du réseau indique que le réseau de bactéries dans les sols LRVP se compose de modules bactériens plus étroitement liés sur le plan fonctionnel que dans les sols BR, et que les bactéries caractéristiques et les bactéries essentielles ont des rôles topologiquement différents. Les organismes appartenant aux groupes fonctionnels « biodégradation et métabolisme des xénobiotiques », « transduction des signaux » et « métabolisme des cofacteurs et des vitamines » était nettement plus abondants dans les sols cultivés soumis au régime LRVP que dans ceux assujettis au régime BR. On en conclut que le LRVP pourrait améliorer la diversité de la microflore, modifier la structure de cette dernière et rehausser les fonctions potentielles de l’écosystème dans le sol des terres agricoles. [Traduit par la Rédaction]","PeriodicalId":9384,"journal":{"name":"Canadian Journal of Soil Science","volume":null,"pages":null},"PeriodicalIF":1.5000,"publicationDate":"2022-06-02","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"","citationCount":"0","resultStr":null,"platform":"Semanticscholar","paperid":null,"PeriodicalName":"Canadian Journal of Soil Science","FirstCategoryId":"97","ListUrlMain":"https://doi.org/10.1139/cjss-2021-0208","RegionNum":4,"RegionCategory":"农林科学","ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":null,"EPubDate":"","PubModel":"","JCR":"Q4","JCRName":"SOIL SCIENCE","Score":null,"Total":0}
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Abstract

Abstract Deep vertical rotary tillage (DVRT) is a novel technique; however, its influence on soil bacterial diversity and community structure remains unclear. Herein, it was hypothesized that this tillage method significantly improves the bacterial diversity and alters the bacterial community structure and therefore it supports enhanced soil ecosystem functions in cultivated land. We investigated the soil bacterial communities and performed molecular ecological network analysis of cultivated land soils under different tillage regimes using high-throughput 16S rRNA gene Illumina sequencing. Soil samples were collected from the experimental field under 2 treatments: DVRT and conventional rotary tillage (CT) in Shizuishan City, Ningxia, China, in a 2-year field experiment. The α-diversity indices showed that DVRT resulted in higher bacterial diversity. In addition, the principal coordinate analysis results revealed a clear separation among the groups of cultivated land soils under the 2 treatment regimes. The key physicochemical factors that significantly influenced bacterial diversity and community structure were pH and total potassium concentration. The network analysis indicated that the bacterial network of DVRT soils consisted of more functionally interrelated bacterial modules than that of soils under CT, and the topological roles of characteristic bacteria and key bacteria were also different. In relation to CT, the relative abundances of organisms belonging to the functional groups of “Xenobiotics biodegradation and metabolism”, “Signal transduction”, and “Metabolism of cofactors and vitamins” were significantly increased in cultivated land soils under DVRT. It was concluded that DVRT treatment could improve bacterial diversity, alter the bacterial network structure, and enhance potential ecosystem functions in soils of cultivated land. Résumé Le labour rotatif vertical en profondeur (LRVP) est une nouvelle technique dont on connaît mal l’incidence sur la diversité et la structure de la microflore tellurique. Les auteurs ont formulé l’hypothèse que cette pratique améliore la diversité des bactéries et modifie la structure de leur population, donc améliore le fonctionnement de l’écosystème dans les terres cultivées. Pour le vérifier, ils ont examiné la microflore du sol et procédé à une analyse moléculaire du réseau écologique dans les terres cultivées selon différents régimes de travail du sol. L’analyse reposait sur la méthode Illumina de séquençage à haut débit des gènes de l’ARNr 16S. Les échantillons de sol venaient d’une parcelle soumise à deux régimes (LRVP et binage rotatif classique ou BR) dans le cadre d’une expérience sur le terrain de deux ans à Shizuishan, dans la régions autonome du Ningxia, en Chine. Les indices alpha de la diversité montrent que le LRVP accroît la diversité de la population bactérienne. En outre, les résultats de l’analyse en coordonnées principales révèlent une nette distinction entre les groupes présents dans les sols soumis aux deux régimes. Les principaux facteurs physicochimiques qui exercent une influence notable sur la diversité et la structure de la microflore sont le pH et la concentration totale de potassium (KT). L’analyse du réseau indique que le réseau de bactéries dans les sols LRVP se compose de modules bactériens plus étroitement liés sur le plan fonctionnel que dans les sols BR, et que les bactéries caractéristiques et les bactéries essentielles ont des rôles topologiquement différents. Les organismes appartenant aux groupes fonctionnels « biodégradation et métabolisme des xénobiotiques », « transduction des signaux » et « métabolisme des cofacteurs et des vitamines » était nettement plus abondants dans les sols cultivés soumis au régime LRVP que dans ceux assujettis au régime BR. On en conclut que le LRVP pourrait améliorer la diversité de la microflore, modifier la structure de cette dernière et rehausser les fonctions potentielles de l’écosystème dans le sol des terres agricoles. [Traduit par la Rédaction]
深层垂直旋耕增加了玉米种植土壤中细菌群落的多样性,并改变了细菌网络结构
抽象深垂直旋转耕作(DVRT)是一种新颖的技术;然而,其对土壤细菌多样性和群落结构的影响仍然不清楚。在此假设,这种耕作方法显著改善了细菌多样性,改变了细菌群落结构,从而增强了耕地的土壤生态系统功能。我们使用高通量16S rRNA基因Illumina测序调查了不同耕作制度下耕地土壤的土壤细菌群落和执行的分子生态网络分析。在为期2年的田间试验中,在中国宁夏静水山市进行了两种处理:DVRT和常规旋转耕作(CT)的实验田间采集土壤样本。α-多样性指数表明,DVRT导致更高的细菌多样性。此外,主要协调分析结果显示,2种处理制度下的耕地土壤组之间存在明显的分离。显著影响细菌多样性和群落结构的关键物理化学因素是pH和总钾浓度。网络分析表明,DVRT土壤的细菌网络由比CT下土壤更多功能相互关联的细菌模块组成,特征细菌和关键细菌的拓扑作用也不同。就CT而言,DVRT下耕地土壤中属于“异源生物降解和代谢”、“信号转导”和“辅因子和维生素代谢”功能组的生物体的相对丰度显著增加。结论是,DVRT处理可以改善细菌多样性,改变细菌网络结构,增强耕地土壤中潜在的生态系统功能。深度垂直旋转耕作(LRVP)是一种新技术,其对土壤微生物区系多样性和结构的影响尚不清楚。作者假设,这种做法改善了细菌的多样性,改变了它们的种群结构,从而改善了农田生态系统的功能。为了验证这一点,他们检查了土壤微生物区系,并对不同耕作制度下耕地的生态网络进行了分子分析。该分析基于用于16S rRNA基因高通量测序的Illumina方法。土壤样本来自中国宁夏自治区静水山为期两年的现场实验中的两种状态(LRVP和常规旋转钻孔或BR)的地块。多样性α指数表明LRVP增加了细菌种群的多样性。此外,主坐标分析的结果揭示了两种状态下土壤中存在的群体之间的明显区别。对微生物区系多样性和结构有显著影响的主要物理化学因素是pH值和总钾浓度(kT)。网络分析表明,LRVP土壤中的细菌网络由比Br土壤中功能更紧密相关的细菌模块组成,特征细菌和基本细菌在拓扑上具有不同的作用。属于“异源生物降解和代谢”、“信号转导”和“辅因子和维生素代谢”功能组的生物在LRVP下的栽培土壤中比BR下的土壤中更丰富。结论是,LRVP可改善微生物区系多样性,改变其结构,增强农田土壤中潜在的生态系统功能。[由编辑翻译]
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来源期刊
Canadian Journal of Soil Science
Canadian Journal of Soil Science 农林科学-土壤科学
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审稿时长
6.0 months
期刊介绍: The Canadian Journal of Soil Science is an international peer-reviewed journal published in cooperation with the Canadian Society of Soil Science. The journal publishes original research on the use, management, structure and development of soils and draws from the disciplines of soil science, agrometeorology, ecology, agricultural engineering, environmental science, hydrology, forestry, geology, geography and climatology. Research is published in a number of topic sections including: agrometeorology; ecology, biological processes and plant interactions; composition and chemical processes; physical processes and interfaces; genesis, landscape processes and relationships; contamination and environmental stewardship; and management for agricultural, forestry and urban uses.
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GB/T 7714-2015
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