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

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]