亮点
密集生产蔬菜的土壤高度酸化，对酸敏感。
微生物多样性的丧失构成了对土壤酸化的正反馈。
元基因组学揭示了加剧土壤酸化的生物标志物物种。
这些生物标志物物种拥有更多的脱氢基因。
质子泵和质子消耗基因途径与微生物产酸有关。
研究背景
集约型农业生态系统是造成活性氮（Nr）污染的最大因素，最终对生物多样性、生态系统功能和服务造成严重破坏。其中最严重的问题是土壤酸化（SA）。在酸化土壤中存活的微生物已经进化出独特的机制来响应极端H+压力，这使得它们能够显着加速H+的流出以维持细胞质pH稳态。在农业生态系统中，目前的研究集中在SA对微生物群落组成和丰度（以下简称"群落结构"）的影响；然而，微生物群落结构对SA的反馈和相关功能基础还不清楚。清楚地了解酸依赖性生物标志物及其与SA的相互作用，可以帮助我们更准确地靶向农业生态系统中的耐酸和产酸微生物，从而确保SA的生物指示和生物防治更加稳定和有效。总的来说，pH稳态途径的富集可能伴随着土壤中的微生物脱氢和H+负载；然而，尚不清楚连续和累积的SA是否与集约型农业生态系统中不同的pH稳态基因丰富的土壤微生物有关。在这里，我们进行了宏基因组测序，以研究土壤微生物组对从稻麦轮作（RW）到稻菜轮作（RV）和随后的SA的长期转换的响应和反馈。目的是(i)评估SA的严重程度及其相关的土壤微生物群的结构和功能变化，以及(ii)确定SA相关的生物标志物种类和指示功能，(iii)阐明决定SA加剧的微生物结构-功能关系。研究方法
研究区位于中国成都平原的国家"水稻-蔬菜生产"示范区内。在这项研究中，取样地点在土地利用变化之前的30多年里都是用RW轮作。三个处理在湿润的耕作季节种植水稻，这些处理包括(1）0年稻-菜（RV）轮作（RW，稻-麦轮作，未转化的对照）；（2）10年RV轮作（RV10，自RW转化为RV10年）；（3）20年RV轮作（RV20，自RW转化为RV20年）。研究结果
由于从RW轮作到RV轮作的变化，土壤性质沿时间序列发生了明显的改变（P0.05）。RV20的pH值下降幅度很大，而且在前20年中持续下降，平均pH值从7.01下降到4.82，而RW对照组的土壤pH值没有表现出明显变化。RW转RV后土壤pH值有明显下降（P0.05），RV10和RV20分别下降了0.50和1.56个单位。
为了研究农业集约化后与SA相关的土壤微生物群的组成和功能，我们对土壤微生物群进行了元基因组分析，以应对从RW到RV轮作的变化。首先，RW到RV的转换显著降低了土壤的MBC（P＜0.05）。细菌的α-多样性和真菌的α-和β-多样性在RW、RV10和RV20组之间没有明显差异，而细菌的β-多样性在RW到RV转换开始后，随着年份的增加而明显下降。PERMANOVA表明，RW到RV转换后，土壤微生物群的组成和丰度（等级）都发生了明显变化（P0.01），丰度（R2=0.）比组成（R2=0.）解释的变化更大。具体来说，13个微生物类别在转换为RV后，其相对丰度发生了显著变化（P0.05），这些微生物占所有元基因组序列的68.77%。没有一个微生物类别是RW独有的，而相比之下，近2.6%和3.0%的微生物类别分别是RV10和RV20独有的。
用结构方程模型评估了粪肥氮、无机肥氮和灌溉对土壤酸性阳离子、碱性阳离子、pH、MBC和微生物多样性的直接和间接影响。首先，不同的氮源拥有不同的酸化途径，其中（i）无机氮投入的增加直接促进了NO3--N的生成反应；（ii）粪肥氮驱动的OM积累间接加速了NO3--N的积累，从而导致了土壤pH值的进一步下降。接下来，我们观察到，高投入的灌溉直接减少了土壤中的基础阳离子。就生物因素而言，低pH值显著降低了土壤MBC，进而降低了微生物的β-多样性，这种细菌β-多样性的损失产生了对酸性阳离子负荷的正反馈。
微生物β-多样性的丧失是导致RV中SA加剧的一个关键因素。值得注意的是，与RW富集的分类群相比，20年RV富集的微生物分类群对氢（H+）、铝（Al3+）和硝态氮（NO3--N）的依赖性更强，并包含更多表现出脱氢功能的属。分别为"质子泵"和"质子消耗"基因模块的"M、M、M和M"以及"M和M"与20年RV土壤中大量招募酸依赖性生物标志物有关，特别是Rhodanobacter、Gemmatirosa、Sphingomonas和Streptomyces。总的来说，长期RV轮作的土壤是高度酸化和酸敏感的，因为允许土壤缓冲能力的微生物脱氢基因的富集更容易受到H+负荷的影响，从而促进了更多耐酸和致酸微生物的定植，最终为研究人员阐明SA和土壤微生物组的相互作用提供了新的线索。
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