不同套作模式對魔芋根際土壤微生物群落的影響

摘 要 采集不同作物（花椒、玉米）與魔芋套作后的土壤樣品，通過ASV高通量測序方法分析根際土壤中的微生物信息，探究不同套作模式下魔芋根際微生物群落組成和多樣性的差異。結果表明：不同栽培模式能影響土壤微生物的活性和多樣性，表現在Chao1、Ace和Shannon指數都出現差異，玉米-魔芋栽培模式下，增加了擬桿菌門和綠彎菌門的相對豐度；花椒-魔芋栽培模式下，增加了放線菌門的相對豐度。不同健康情況下的土壤微生物存在差異，患軟腐病的花椒-魔芋套作增加了擬桿菌門和藍藻菌門的相對豐度，正常的花椒-魔芋套作中，放線菌門相對豐度更大。

關鍵詞 套作；魔芋；土壤微生物群落；多樣性；豐度

中圖分類號：S632.3 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2024.11.004

根際微生物的數量往往比根際區外多數十倍，在植物根系的直接作用下促進植物的生長和增殖，并且與植物的根之間存在著相互作用關系。微生物既能分解有機物，又能給植物提供營養，同時也能產生一些其他的物質，如維生素和生長刺激素，為植物提供重要的養分及能源，另外，土壤中的通氣性和水分狀態也會對微生物的生態環境產生影響。

將魔芋與花椒或玉米進行套作栽培，是農民提高作物產量的種植方法。但魔芋生長習性比較特別，不耐旱也不耐澇，同時由于魔芋的根系比較淺，在黏性土壤中生長比較緩慢，容易受到根際微生物的影響。作為一種重要的生物群落，根際微生物群落對作物的生長發育和健康具有重要的影響。這些微生物包括細菌、真菌、放線菌等，它們常常與植物根系形成共生關系，相互利用和促進生長。保證作物的根系健康是提高作物產量和品質的重要措施之一。通過調整土壤的性質和改善土壤的微生態環境，可以提供良好的根際生長環境，促進根際的發育。這需要加強根際微生物的多樣性檢測管理，調節土壤酸堿與微生物的數量平衡等[1]。只有健康的根際環境才能有效吸收養分和水分，提高作物的產量和品質。因此，研究作物根際微生物多樣性的關系與變化，對作物健康生長非常重要。

1" 材料與方法

1.1" 試驗地概況

試驗地位于四川省涼山彝族自治州美姑縣，屬于亞熱帶季風氣候區域，具有典型的山地氣候特點，晝夜溫差較大，年均氣溫11.4 ℃，光照雨量條件充足，全年日照較好，年均日照時數1 791 h，年均降水量815 mm，該區土壤質地以黃棕壤為主。

1.2" 測序試驗

試驗設3個處理，分別為玉米-魔芋套作、花椒-魔芋套作和攜帶軟腐病的花椒-魔芋套作。2023年，于魔芋成熟期的11月采集各處理的土壤樣品，每個處理隨機選取采樣點，每個采樣點選取長勢一致的作物，采集魔芋根系上附著的土壤作為試驗根際土壤，挑出根系、秸稈、石塊等雜物，輕刮根際剩余土壤作為樣品，所有樣品用無菌塑料袋收集，收集后放在干冰上立即運至實驗室，并根據研究需要分成2份，1份存儲在?80 ℃用于DNA高通量測序分析，另1份風干用于理化指標檢測和分析。采用高通量測序技術獲取土壤微生物的Chao1、Ace和Shannon 指數，分析土壤微生物多樣性特征。

測序試驗流程如下：

環境樣品DNA提取→設計合成引物接頭→PCR擴增與產物純化→PCR產物定量與均一化→構建PE文庫→Illumina測序

1.2.1" DNA提取

使用DNA試劑盒（Omega Bio-tek， Norcross， GA， USA）提取每個樣品的DNA，待每個DNA提取后，使用1%瓊脂糖凝膠檢測抽提的DNA基因組。

1.2.2" PCR擴增

在測序實驗的指定測序區域合成帶有barcode的特異引物[2]。PCR 實驗采用TransGen AP221-02，PCR儀為ABI GeneAmpamp;reg 9700型。對實驗標準樣本進行3次重復實驗，混合處理同一樣本的PCR產物，接著使用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測，采用AxyPrepDNA（AXYGEN）凝膠回收試劑盒回收PCR產物，最后使用Tris_HCl進行洗脫處理[3]。PCR擴增結果鑒定膠圖見圖1。

1.2.3" PCR產物定量

根據電泳定量結果利用QuantiFluor?-ST（Promega）定量系統對PCR產物進行檢測定量，接著按照樣品測序需求，將PCR產物按一定比例混合。

1.2.4" Illumina文庫構建

利用PCR技術在目標區的外部末端添加Illumina官方接頭序列，使用凝膠回收試劑盒切膠對PCR產物進行回收。緩沖液Tris-HCl進行洗脫處理，2%瓊脂糖電泳進行測定，使用氫氧化鈉進行變性進而生成單鏈DNA片段[4]。試劑：TruSeqTM DNA Sample Prep Kit。

1.2.5" Illumina測序

DNA片段作為試驗測序模板，堿基序列作為引物，PCR合成DNA片段；變性退火處理后，DNA片段一端將與引物互補固定以合成連接；對反應序列表面進行掃描，得到單個序列模板在每次反應實驗過程中所生成的核苷酸種類；利用化學切割技術恢復基因端黏性，聚合核苷酸，統計熒光信號結果獲得模板DNA片段的序列[5]。

1.3" 生物信息分析

使用ASV（Amplicon Sequence Variant）高通量測序方法，可以進行物種分類、群落多樣性分析、物種差異分析、相關性分析、系統發育分析和功能預測分析等一系列的統計學或可視化分析。將Illumina測序獲得的PE reads分割后，首先基于測序質量對雙端Reads進行質控和篩選，同時根據雙端Reads之間的overlap關系進行拼接，獲得質控拼接之后的優化數據。使用序列降噪方法處理優化數據，獲得ASV代表序列和豐度信息[6-7]?；贏SV代表序列及豐度信息，進行群落多樣性分析，得到微生物群落分布柱狀圖，如圖2所示。所有的數據分析均在生物云平臺上進行，采用mothur軟件計算Alpha多樣性指數Chao1、Ace和Shannon 指數，并采用Wilxocon秩和檢驗進行Alpha多樣性的組間差異分析[8]，確定不同組間水平豐度顯著差異的的細菌類群。

2" 結果與分析

2.1" 不同栽培模式對根際微生物多樣性的影響

研究發現，玉米-魔芋和花椒-魔芋兩種套作模式下的根際微生物群落有差異。由表1可知，玉米-魔芋套作模式下，擬桿菌門（Bacteroidota）、綠彎菌門（Chloroflexi）的相對豐度得到提升，豐度占比分別為9%、16%。而花椒-魔芋套作模式下的放線菌門（Actinobacteriota）的占比更大，提高到了22%。擬桿菌門與綠彎菌門對玉米-魔芋這種套作栽培模式更敏感，而花椒-魔芋套作栽培模式對放線菌門的影響更大。由表2可知，玉米-魔芋與花椒-魔芋2種套作方式改變了其根際微生物的多樣性。在Chao1和Ace指數[9]方面，花椒-魔芋套作比玉米-魔芋套作分別提高了20%和19%，Shannon指數也有相同趨勢，花椒-魔芋套作比玉米-魔芋套作提高了5%。對比發現兩種栽培模式下作物的微生物群落結構有顯著差別，即玉米和花椒兩種不同作物與魔芋套作對魔芋根際土壤細菌的群落結構組成有不同的影響作用，并且花椒-魔芋這種套作模式對魔芋根際的土壤微生物的影響更為顯著。

玉米-魔芋與花椒-魔芋兩種套作模式充分發揮高矮作物的空間配置優勢，但不同栽培模式能影響土壤微生物的活性和多樣性[10]。在作物栽培中，可以利用套作措施有效調控種群間比率的方法，根據根際微生物的差異去選擇合適的栽培模式，以達到最理想的種植效果。

2.2" 不同健康情況下的根際微生物多樣性差異

胡蘿卜軟腐歐文氏桿菌（Ewinia caroto-voravar carotovora）引起的魔芋軟腐病是一種細菌性病害，其致病機制是病原微生物釋放的果膠酶，細胞中層發生溶解，腐蝕組織，從而吸引其他的腐菌，并將其分解，生成吲哚，發出惡臭[11]。針對正常的花椒-魔芋套作與患軟腐病的花椒-魔芋套作進行根際微生物分析對比發現，患軟腐病的套作中的根際微生物擬桿菌門（Bacteroidota）與藍藻菌門（Cyanobacteria）相對含量得到增加，分別提升到了21%和19%，而正常的花椒-魔芋套作中的根際微生物放線菌門（Actinobacteriota）相對含量更多，達到了22%（見表1）。

擬桿菌門是一類單細胞，可廣泛存在于土壤，是微生態系統中不可或缺的一部分，能夠幫助宿主維持健康和免疫功能。藍藻菌門是光合細菌，具有多種生物防控應用，藍藻可以釋放酶、分解病原體的細胞壁或菌絲，與病原體和害蟲競爭根際空間和養分，并通過與植物根部的互動來激活植物的防御反應。很多健康的植物在未被病原體感染以前，就已經包含了各種各樣的抗病性細菌，比如檢測到的擬桿菌門與藍藻菌門等。在作物患上軟腐病后，作物在與病原微生物演化的同時，也形成了復雜的抗性機制，以應對病原的多重致病方式，導致擬桿菌門與藍藻菌門等抗病性細菌的含量急劇增加，以抵抗病原物的侵入和擴展。而土壤放線菌門是一類促生性細菌，這類細菌可以分解有機物質，將其轉化成為植物可以使用的營養物質，從而為植物的生長提供養分[12-14]。健康的植物土壤中，富含更多的營養物質，土壤放線菌與這些物質形成共生關系，微生物豐度增多。這就解釋了為什么患病套作的抗病性細菌的豐度增加，正常套作的土壤中促生性細菌更多的原因。

3" 討論與結論

根際土壤微生物的數量與種類對植物的生長發育和健康狀況具有重要的作用，其多樣性對根際營養元素的吸收與轉化也具有重要的作用，其中有益菌能夠增加土壤中的有效營養物質，增強作物對環境的抗性[15]。具體比較玉米-魔芋與花椒-魔芋兩種套作處理魔芋根際微生物的真菌及細菌群落組成，發現不同栽培模式處理的部分根際微生物的群落結構呈現較大差異。玉米-魔芋與花椒-魔芋兩種套作方式顯著影響了根際微生物的多樣性，表現在Chao 1、Ace和Shannon指數發生顯著變化。根際細菌在門類上的相對豐度出現差異，這是由于根際土壤中含有豐富的微生物，微生物群落結構的變化與土壤類型、根際營養物質供應及栽培方式等因素有關[16-17]。

不同套作模式影響根際微生物多樣性體現在改變了根際土壤的微生物群落結構組成，對微生物種類、數量、豐度等均有一定影響。除此之外，對比患軟腐病和健康的花椒-魔芋套作的試驗結果顯示，擬桿菌門、藍藻菌門和放線菌門為優勢菌門，這些抗病菌和促生菌參與植物抗病機制與提供養分過程，在此發育過程中微生物相對豐度發生改變，進而促進魔芋的生長發育并提高魔芋品質。研究表明，不同的種植方式和作物的健康狀況會影響土壤根系微生物的多樣性及組成，特別是有益微生物的分布組成，對土壤微生物的調控具有重要意義。

綜上所述，不僅根際微生物群落能對作物產生影響，作物的生長方式和生長狀況對微生物群落的影響也是顯著的，其生態平衡的調整和優化，對現代化農業的發展和農產品的質量提升至關重要，需要在實踐中探索適合不同環境條件下的調控策略，不斷提高根際微生物群落的生態效應和農業生產的可持續性，根際微生物的群落結構龐大，更多的促生菌和抗病菌需要未來進一步分析和鑒定。

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（責任編輯：易" 婧）