近日，来自浙江科技大学环境与资源学院刘文波老师等研究者，在国际知名期刊Land Degradation & Development上发表了题为“Biochar Enhances the Abundance of Microbial Functional Genes Involved in C, N, P, and S Cycling: A Quantitative Metagenomic Insight From Paddy Soil”的研究论文。该研究利用昊为泰AccuMetaG^®宏基因组绝对定量测序专利技术，研究了生物炭对稻田土壤中碳、氮、磷、硫循环相关微生物功能基因的绝对定量影响。研究发现，生物炭的应用能够显著提高稻田土壤中相关微生物功能基因的绝对丰度，进而促进农业生产和生态系统功能的提升。该研究的重要性在于首次通过绝对定量的方法揭示了生物炭对微生物功能基因的具体作用，为农业土壤管理提供了新的思路和策略。

英文题目： Biochar Enhances the Abundance of Microbial Functional Genes Involved in C, N, P, and S Cycling: A Quantitative Metagenomic Insight From Paddy Soil

中文题目： 生物炭增强稻田土壤中碳、氮、磷、硫循环微生物功能基因的丰度：基于定量宏基因组学的研究

发表期刊： Land Degradation & Development

影响因子： 3.7

发表时间： 2025年7月6日

1.研究采用了昊为泰的绝对定量宏基因组学方法，首次系统地量化了生物炭对稻田土壤中碳、氮、磷、硫相关功能基因的影响。

2.绝对定量和相对定量结果出现不一致情况。生物炭显著提高了与碳固定、氮还原、磷溶解等过程相关基因的绝对丰度，但基于TPM相对定量结果，发现相关基因相对丰度不存在显著变化。

3.昊为泰绝对定量宏基因组学与高通量qPCR（HT-qPCR）技术检测结果一致。选定的24个基因（16个与碳降解相关基因，8个与磷循环相关基因）的绝对丰度在两种方法在组间结果一致。

4.通过绝对定量技术与传统的相对丰度方法进行对比，强调了绝对定量测序在微生物群落功能分析中的优势，避免了因样品测序深度不一致导致的偏差。

2021年和2022年进行了两年的田间试验，监测了在生物炭处理和对照处理下水稻产量和植物高度的变化（图1）。在两年中，生物炭处理下的水稻植物高度和产量均高于对照组。

图1. 水稻在2021年和2022年的收获产量和植物高度。

碳、氮、磷和硫循环相关基因丰度变化

本研究利用昊为泰宏基因组绝对定量测序技术评估了生物炭添加对碳、氮、磷和硫功能基因的反应，该技术一次检测同时得到两种结果：相对丰度（通过TPM标准化）和绝对丰度（定量宏基因组技术）。PCoA结果显示，在生物炭处理和对照土壤中，碳、氮、磷和硫功能基因的相对丰度没有显著差异。然而，在不同处理下，这些基因的绝对丰度存在显著差异（图S1）。本研究突出了在考虑功能基因的绝对丰度与相对丰度时所存在的差异，因此后续的分析将侧重于绝对定量宏基因组方法的结果。

图S1. 基于Bray-Curtis距离的主坐标分析(PCoA)侧重于施用和不施用生物炭的土壤中C、N、P和S循环功能的基因结构。(a)基于相对丰度的结果,( b)基于绝对丰度的结果。

生物炭处理下碳循环标记基因的动态变化

宏基因组绝对定量分析显示，生物炭显著提高了与糖酵解、发酵、三羧酸循环（TCA）、甲烷氧化、甲烷生成（乙酸分解和氢类途径）及碳固定过程相关的基因的绝对丰度（图2）。然而，基于TPM算法，生物炭处理下的碳循环相关基因的相对丰度在两种土壤处理间没有显著差异。

图2. 碳循环相关功能基因的绝对丰度差异。估算值计算公式为“LN（生物炭处理下某基因的丰度除以对照组下同一基因的丰度）”。2021年的数据以红色显示，2022年的数据以蓝色显示。

生物炭处理下，碳降解相关基因家族的绝对丰度始终高于对照组（图3a）。为了进一步验证绝对丰度结果的可靠性，研究者还使用高通量qPCR技术对16个与碳循环相关的基因进行了定量（图3b）。结果显示，生物炭处理下，大多数碳降解基因的绝对丰度均高于对照组，与绝对定量宏基因组学技术所得结果一致。

图3. 不同处理下碳降解基因丰度的变化。(a) 分析生物炭处理和对照处理下特定微生物CAZyme基因在碳降解中的绝对丰度差异。(b) 通过高通量qPCR识别碳降解基因的绝对丰度差异。使用Kruskal–Wallis检验计算两种处理之间的显著性。

生物炭处理下氮循环标记基因的动态变化

生物炭的添加显著增加了与氮循环关键途径相关基因的绝对丰度，包括氮固定、厌氧氮化、硝化、反硝化、有机物降解与合成、同化性（ANRA）和非同化性硝酸还原（DNRA）（图4）。与此同时，生物炭处理显著增加了与硝化相关的基因hao的丰度，但基于TPM相对定量，生物炭处理和对照土壤间的氮循环基因的相对丰度没有显著变化。

图4. 氮循环相关功能基因的绝对丰度差异。估算值计算公式为“LN（生物炭处理下某基因的丰度除以对照组下同一基因的丰度）”。

3.2.3 生物炭处理下磷循环标记基因的动态变化

生物炭处理导致无机磷溶解、磷转运和磷饥饿调控基因的丰度增加（图5）。绝对定量宏基因组学分析表明，三种参与磷溶解的关键基因在生物炭处理组中得到了富集。为验证绝对定量宏基因组学所得的绝对丰度结果，研究者还使用高通量qPCR对8个与磷循环相关的基因进行了绝对丰度分析。高通量qPCR结果显示，生物炭显著提高了与磷循环相关基因的丰度，这一趋势与定量宏基因组学结果一致。

图5. 磷循环相关功能基因的绝对丰度差异。估算值计算公式为“LN（生物炭处理下某基因的丰度除以对照组下同一基因的丰度）”。

生物炭处理下硫循环标记基因的动态变化

绝对定量宏基因组学分析显示，生物炭的添加提高了与同化性硫还原、非同化性硫还原、硫氧化、SOX系统、硫氧化还原、硫反硝化等硫循环相关基因的绝对丰度。然而，某些与硫循环相关的路径在TPM技术下未显示出显著变化。

3.3 基因共现网络分析

基因共现网络分析阐明了不同处理下微生物功能基因之间的相互作用（图6）。对照组的网络包含174个节点和343个连接，而生物炭处理组的网络包含200个节点和380个连接。生物炭处理组的平均聚类系数和路径长度明显高于对照组，但其平均度数则低于对照组。生物炭网络中基因之间的负相关性更多（图6a）。通过随机去除50%的节点后，生物炭处理组的网络稳定性低于对照组（图6b），且生物炭处理组的网络脆弱性高于对照组（图6c）。

图6. 基因共现网络分析，展示不同处理下碳、氮、磷和硫循环相关功能基因的潜在连接。(a) 分别构建对照组和生物炭处理组下的基因网络。(b) 随机去除50%节点后，各处理组网络的稳定性测量。(c) 测量每个网络中大节点脆弱性后的网络脆弱性。

本研究采用了创新的宏基因组绝对定量测序方法，系统评估了生物炭对稻田土壤中碳、氮、磷、硫循环相关微生物功能基因的影响。研究发现，生物炭能够显著提高土壤中相关基因的丰度，尤其是在碳固定、氮还原、磷溶解等过程中的作用尤为突出。

在本研究中，昊为泰的宏基因组绝对定量测序技术相较传统的相对丰度方法，提供了更为精确的微生物功能基因绝对丰度数据。通过引入内标序列，研究能够精确地量化每个基因的绝对拷贝数，从而避免了由于传统相对定量带来的偏差，为微生物群落功能分析提供了更高的准确性和可靠性。

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