棉花一花生輪作對產量及其土壤微生物群落基因功能的影響

微生物群落組成對維持土壤生態系統穩定性至關重要[1]。根系土壤微生物多樣性對種植模式非常敏感[2]，持續單作會使有益菌豐度降低并增加致病菌數量，造成土壤養分的流失，微生態環境失衡，影響植物的生長發育。合理輪作能夠改善根系土壤微生物的群落結構，促進有益微生物種類和豐富度升高，提高根系微生物代謝活性和功能多樣性。輪作模式通過改變植株類型與根系土壤微生物結構的方式，改善地下土壤環境[3]。棉花（GossypiumhirsutumL.）是世界上最重要的天然纖維作物[4-5]，棉屬物種的多樣性也為研究多倍體的進化和馴化提供了一個理想的模型。然而，傳統種植方式會造成棉花連作障礙，嚴重影響棉花產業的可持續性發展。已有研究發現，花生—甘薯[6]、花生一玉米[7-8]、花生—小麥[9-10]和棉花一玉米[1]輪作可以有效促進作物生長、提高作物產量、減少土傳病害、緩解連作帶來的影響。研究表明豆科作物擁有根瘤固氮能力，被廣泛運用于生態農業系統，輪作豆科植物可有效改善土壤條件、提高土壤養分及維持土壤穩定性[12]。花生（ArachishypogaeaL.）喜光，因新疆日照時間長，常年保持 24.3^°C～27.6^°C ，利于花生的生長發育。Cezar等[13]研究發現，棉花一花生輪作有利于作物的生長，緩解土傳病害的發生。此外，花生茬口有利于增加棉花根系土壤微生物群落總數，提高微生物群落多樣性和豐富度，對棉花根系王壤微生物具有較好的調節作用。棉花一花生長期輪作后可有效地影響根際土壤微生物結構，促進微生物群落的多樣性和豐富度；根際土壤微生物群落變化的同時，伴隨著土壤根際微生物群落基因功能的相互影響，會促使土壤微生物基因多樣性來改善土壤生態環境。借此可以通過微生物功能變化，研究分析該土微生物群落的開發與利用。本研究依托長期輪作模式的試驗數據結果，為棉花一花生輪作可以提高作物的產量提供理論依據。研究結果能夠充分了解棉花、花生輪作對根系土壤微生物群落的影響，分析棉花、花生輪作對提高作物產量的作用，為科學種植提供數據支持。

1材料與方法

1. 1 試驗材料

棉花品種為‘新陸早 50^? ，花生品種為‘花育9610（來源：新疆農業種質資源系統）。

1. 2 試驗方法

1.2.1試驗設計試驗在安寧渠綜合試驗場開展，該地區為溫帶大陸性氣候，年平均降雨量 190～230mm ，年日照時長 3 000～

3500h ，以灰漠土為主。于2016年至2023年開展棉花一花生輪作試驗，播種面積 180m² ，每個處理面積為 5.5m×7m ，每塊相距 1m ，本試驗開展8a時間，設置棉花一棉花連作（MC）、花生一花生連作（HC）、棉花一花生輪作（MR）、花生一棉花輪（HR）作共4種處理方式，每個處理設置3個重復，不同重復間間隔 0.5m 。各作物覆膜種植，1膜4行，采用膜下灌溉方式。根據不同年限，種植作物采用輪換的種植方式，因其前茬作物的不同，采樣當年的根際土壤微生物群落存在一定的差異，通過樣品的采集進行菌種鑒定，數據更加可靠.在開展播種前，耕地添加農家肥1.2×10⁴kg/hm² 及 450kg/hm² 復合肥作為底肥。播種前對田間全氮、全磷、全鉀、有機質和pH 進行檢測見表1。棉花、花生后期追肥按照當地農作物管理方法保持一致。

表1不同處理下土壤養分含量 ）

Table1 Soilnutrientcontentunderdifferenttreatments

注：不同字母表示差異顯著 （Plt;0.05） ，下同。 Note：Different letters indicate significant differences at O.O5 level，the samebelow.

1.2.2棉花和花生產量測定2016 年至2023年棉花吐絮后實收測產；花生成熟期后實收測產。數據通過SPSS27.0.1整理分析。

1.2.3土壤樣品采集2023年9月棉花、花生收獲時，各試驗小區隨機取五點收集混合。每點挖去3只植株，抖散大塊土壤，保留根系部位土壤，利用無菌刷，收集根表土壤。標記分裝兩份置于冰上保存，一份送檢測公司測序，另一份風干保存進行后續試驗。

1.2.4測序樣品分析土樣樣品送至百邁客生物（BioMarker），進行宏基因組測序（illumina），構建文庫進行測序。通過生物信息分析獲得環境中的基因功能、物種組成信息，使用fastp軟件，過濾測序數據；MEGAHIT進行宏基因組組裝；QUAST軟件對組裝結果進行評估，MetaGene-Mark軟件識別基因組中的編碼區域，構建非冗余基因集使用MMseqs2軟件去除冗余，相似性閾值設置為 95% 。通過將非冗余基因的蛋白序列和Nr數據庫進行BLAST比對，找到基因組注釋信息，計算物種基因豐度。

1.2.5功能注釋方法將非冗余基因的蛋白序列數據庫進行linclust（聚類算法）比對，找到在Pfam數據庫中最相似的序列，找到Pfam中的基因對應于GO數據庫中包含功能注釋信息的節點上基因的注釋;其次與KEGG數據庫中蛋白序列進行BLAST比對，根據對應KO通路計算豐度；再次與eggNOG數據庫進行BLAST比對基因的注釋信息和分類信息；使用hmmer軟件與CAZy數據庫比對，使用碳水化合物活性酶對應基因豐度計算。

2 結果與分析

2.1輪作對作物產量的影響

圖1結果顯示，不同種植模式處理下作物產量存在顯著性差異，在輪作種植8a中，花生連作與棉花連作其產量在2016年至2023年間未見較突出變化，在此期間2021年產量有所增長，但2022年以來產量持續下滑。并在2023年花生連作產量下降 108.09kg/hm² ，棉花連作產量下降237.63kg/hm² 。而棉花一花生輪作、花生一棉花輪作隨長期定位試驗的開展，其產量持續增長，2023年棉花（棉花一花生輪作MR）、花生（花生一棉花輪作HR）產量分別為5867.62kg/hm²?6082.61kg/hm² ，同比2017年棉花（棉花一花生輪作 MR）增長 18.45% ，花生（花生一棉花輪作HR）增長 12.29% 。通過數據顯示，以4a為一個周期，2021年棉花一花生輪作（MR）中棉花的產量增加顯著，其增長比2020年高 10.06% 。

圖1不同種植模式產量

Fig.1 Yieldofdifferentplantingpatterns

2.2輪作對棉花和花生根系微生物群落的影響

由圖2可知，不同模式根系土壤微生物結構90.95% 為細菌，其次為古菌約 4.5% ，真菌和其他約 4.55% 。不同種植模式在門水平上基本無顯著性差異，前topl5細菌類型為酸桿菌門（Ac-idobacteria）、變形菌門（Proteobacteria）、芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）、綠彎菌門（Chlo-roflexi）、棒狀桿菌門（Candidatus_Rokubacteria）、浮霉菌門（Planctomycetes）放線菌門（Acti-nobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、硝化螺旋菌門（Nitrospirae）、疣微菌門（Verrucomicrobia）、藍細菌門（Cyanobacteria）、奇古菌門（Thaumar-chaeota）、厚壁菌門（Firmicutes）、candidate_divi-sion_NCio、裝甲菌門（Armatimonadetes）、Oth-ers。而屬水平4組的差異非常明顯，屬水平topl5主要以鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）、硝化螺菌屬（Nitrospira）、Gemmatirosa、Ac-idobacterium、芽單胞菌屬（Gemmatimonas）Lu-teitalea豐度較高，其次是假單胞菌屬（Pseudo-monas）Pirellula、Haliangium、Steroidobacter、Gaiella、慢生根瘤菌屬（Bradyrhizobium）、

Sphingosinicella、中慢生根瘤菌屬（Mesorhi-zobium）、Azospirillum、Others為主；Gaiella、假單胞菌屬（Pseudomonas）在HR模式顯著高于HC、MC、MR模式;Haliangium、Steroidobacter在MC、MR模式顯著高于HC、HR模式。

2.3輪作對土壤微生物群落基因功能的影響

2.3.1KEGG功能預測運用KEGG數據庫對根系土壤微生物群落基因進行功能預測，為探究棉花、花生輪作與連作的土壤環境微生物群落在功能分布上的差異。功能預測結果表明在Level2，HC、MC和MR之間無顯著差異，唯獨HR模式中富集較強的membranetransport（膜運輸）微生物功能。而在Level3具有顯著差異（圖3）。試驗發現，主要富集的微生物功能有Biosynthe-sisofsecondarymetabolites（生物合成次生代謝產物）、ABC transporters（ABC 轉運體）、Pyrimi-dinemetabolism（嘧啶代謝）、RNAdegradation（RNA 降解）、Pentose phosphate pathway（糖磷酸途徑）、Peptidoglycanbiosynthesis（肽聚糖合成）、Nitrogenmetabolism（氮代謝）和RNApolymerase（RNA聚合酶）等；在HR模式富集的微生物功能為Nictinateandnicotinamidemetabo-lism（煙酰胺和煙酸代謝）、mRNAsurveillancepathway（mRNA 監管途徑）、Toluenedegrada-tion（甲苯降解）等;在HC 模式 Arginineand pro-linemetabolism（精氨酸和脯氨酸代謝）Glycine，serineandthreoninemetabolism（甘氨酸、絲氨酸和硫氨酸代謝）富集更明顯；MC模式主要富集微生物功能為RNAdegradation（RNA降解）、Pha-gosome（吞噬體）、Linleicacidmetabolism（亞油酸代謝）等。

2.3.2根系土壤微生物菌群碳水化合物活性酶基因（CAZy功能注釋）結果表明，根系土壤微生物碳水化合物代謝有關的基因中數目最多的是糖基轉化酶家族（GlycosylTransferases）占總體41.0% ，糖苷水解酶家族（GlycosideHydrolases）占總體 33.4% 。碳水化合物結合模塊（Carbohy-drate-BindingModules）相較于其他模式，HC模式中豐度較高；在HR模式中GHs和GTs相對豐度較高（圖4）。進一步分析發現HC模式豐度最高的為GH87、GH99、CE19、CE15、CBM16、CBM84等；MC模式豐度最高的為GH123、GH11、CBM64等，豐度降低的為GH100、GH20、GT9、AA12等；MR模式豐度最高的為GH170、GH63、CBM85等；HR模式豐度較高的酶家族較多GH96、GH152、GH102、GH100、GH7、GT1、GT27、GT78、CBM50、CBM24等，豐富度降低GT3、CBM6、CBM51。綜上，棉花一花生輪作后更多的富集與碳水化合物代謝有關的基因。

2.3.3根系土壤微生物菌群基因蛋白功能結果顯示，對不同種植模式根系微生物菌群基因蛋白功能進行eggNOG注釋（圖5），主要以物質代謝、酶的合成以及物質運輸相關，除去未知功能和一般功能預測，菌群蛋白功能類型為功能代謝相關的Lipidtransportandmetabolism（脂質轉運與代謝）、Coenzyme transport and metabolism metabolism（核苷轉運與代謝）等。（輔酶轉運與代謝）、Nucleotidetransport and

圖4根系土壤微生物菌群CAZy功能注釋差異分析

Fig.4Differential analysis of CAZy functional annotation of root soil microbial flora

由直系同源群層級注釋結果可知，多年輪作耕種后，不同種植模式之間功能蛋白基因存在顯著差異性（圖6）。MC模式中與細胞壁/膜/包膜生物學、能源生產和轉化和核苷轉運與代謝有關的基因相對豐度顯著增加，如COG2885、COG0481、COG1032、COG1053、COG0674和COG0209；MC模式中與能源生產和轉化、碳水化合物的代謝和氨基酸運輸和代謝有關的基因相對豐度顯著增加，如COG0247、COG3181和COG0296；HR模式中激發的功能基因較少如與能源生產和轉化、碳水化合物的代謝和氨基酸運輸和代謝有關的COG0028和COG2141，下調的基因較多如COG0437，與細胞壁/膜/包膜生物學有關的COG0845，與碳水化合物的代謝有關的COG0574、COG4993；與無機離子運輸和代謝有關的COG1629；而HC模式則激發了多種功能基因，如與碳水化合物的代謝相關的COG1574和COG2133、與轉錄基因相關COG1595、與次生代謝產物的生物合成、運輸和分解代謝有關的COG1228、與防御機制有關的COG0577、與細胞周期控制、細胞分裂和染色體分離相關的

COG0531，但也下調了一些與氨基酸運輸和代謝、復制，重組和修復和脂質轉運與代謝相關的功能基因，如COG0031、COG0187和COG0365。結果表明棉花一花生輪作隨長期定位試驗改變了根系土壤微生物同源基因組的構成。

2.3.4對根系微生物氮養分循環相關基因的影響對不同種植模式根系土壤微生物氮元素相關基因循環差異性進行分析。結果顯示共分析出topl1種功能基因（圖7），與氮代謝相關的K00265、K00284；與反硝化作用相關的K10946、KO0376；與異化硝酸鹽還原作用的K00362、K15876、K00371；與同化硝酸鹽還原作用的K00374、K00366、K15577。在HR模式下反硝化作用過程中一氧化氮還原酶基因norB、亞硝酸還原酶基因nirK、氧化亞氮還原酶基因nosZ的相對豐度顯著高于HC、MC、MR模式；硝酸還原酶/亞硝酸鹽氧化還原酶narH、narY相對豐度在HC模式有所提升；MC模式提高了氮代謝GLU，gltS 相對豐度，降低了硝酸還原酶活性相關基因narI、narV豐度；MR則是降低了硝酸還原酶/亞硝酸鹽氧化還原酶narH、narY相對豐度（表2）。

3討論

為深入了解棉花一花生輪作對產量及其土壤根系微生物群落結構與功能的影響，本研究通過對根系土壤進行宏基因組測序綜合分析。本研究結果表明，棉花一花生輪作能夠提高栽培棉花、花生對養分的吸收，促進棉花、花生產量的提高。棉花一花生輪作在農業生產中是防止連作障礙和防治土傳病害的有效方式之一，其種植模式表現出促進植物生長，提高作物產量和增加根系微生物群落多樣性。研究發現，HR、MR相較于單作顯著增加作物產量，增產幅度明顯，棉花一花生輪作模式下，棉花增產 1 243. 05kg/hm² （同2016年相比提升棉花 21.17% ）；花生—棉花輪作模式下，花生增產 862.20kg/hm² （同2016年相比提升 14.17% ）。從產量結構，可以發現棉花一花生輪作種植模式，對棉花的生長有效積累較為明顯，增產均在 1100kg/hm² 以上。

輪作作為一種有效地生產方式，其優勢主要體現在，不同作物交替種植，收獲后期作物凋零，自身作為有機物質，具有豐富的營養，被土壤中微生物分解直接增加了土壤的肥力，促進氮、磷、鉀等元素的轉換、吸收；不同的作物根系生長的形態也有所不同，棉花、花生都屬于直根系植物，但是相較于棉花，花生的根系較短，側根較為發達。所以根據這一特點二者可以互補，有效地改善土壤環境，使土壤具有疏松多孔的結構，改善地下部養分的分配；調節土壤微生物結構，增加有益菌群的數量，提高微生物群落的功能多樣性。

圖6不同種植模式根際微生物功能蛋白注釋

Fig.6Annotation of rhizosphere microbial function proteins in different cultivation patterns

土壤微生物是農業生產中分解土壤中營養物質的主要參與者，能夠對環境的變化做出迅速的調整。本研究發現，棉花花生輪（連）作模式下，土壤根系微生物群落中Acidobacteria、Proteobacte-ria、Gemmatimonadetes、Chloroflexi的豐富度相對較高，酸桿菌能夠分解有機質，降解里面的多糖，促進元素循環[13]。變形菌門大多數是專性和兼性厭氧菌，有較強的抗氧化脅迫能力，在本研究中發現輪作后變形菌門的含量占主要地位，可以幫助作物有效分解和利用土壤中有機物質提高固氮能力，促進土壤養分的循環[14]；隨著生育期推進，變形菌門在花生一棉花輪作模式下豐富度最高，說明輪作種植模式有效地提高了Acidobacte-ria和Proteobacteria的豐富度。其次含量相對較高的是 Gemmatimonadetes、Chloroflexi;Gem-matimonadetes在化學轉化過程中具有很活躍的作用，適宜的生長過程可以增加作物的抗性，抑制病原菌的侵害，分解土壤中有機質，提高土壤氮的

圖7氮養分循環相關基因差異分析

Fig.7Differential analysis of genesrelated to nitrogen cycling

含量；Chloroflexi營養廣泛，可以通過光能和化能自養，并且利用各類元素推動元素的耦合循環；本研究發現，棉花一花生輪作顯著提高Sphin-gomonas、Nitrospira和Gemmatimonas的相對豐度，這是因為種植花生，其根部會生長發育成根瘤，根瘤會產生根瘤菌[15]，根瘤菌居于固氮的功能，能夠提高土壤氮含量和有機質含量，增加可供土壤微生物利用的氮源，為細菌生物量的增加提供必需養分。在本研究中，Gemmatimonas、Pseudomonas、Bradyrhizobium、Mesorhizobium在花生一棉花輪作中為豐度較高的菌屬，其中Gemmatimonas歸于Gemmatimonadetes，可廣泛分布在各種自然環境中，可在惡劣環境下生存，耐受高鹽分環境[16]，Mesorhizobium 耐受的pH范圍為 4. 0～10. 0^[17] 。綜上表明，本研究發現種植模式的不同會對土壤根系微生物群落的組成造成一定的影響，花生一棉花輪作對根系土壤微生物群落的影響尤為顯著，可以證明科學的輪作可以有效地增加土壤中有益微生物群落的多樣性與豐富度，通過微生物群落的改變，能夠抵抗極端惡劣的土壤環境，研究中的耐鹽堿菌群的發現可以提高微生物的利用率，借此進行培養開發利用，可以幫助作物生長過程中改良土壤理化性質，促進有機質的分解，供植物吸收。

表2氮養分循環相關差異基因對應功能酶

Table 2Functional enzymes corresponding to diferentially expressed genes related to nitrogen nutrient cycling

研究發現，不同種植模式雖然改變了根際土壤微生物群落的多樣性，但還有很多關于微生物群落基因功能多樣性的機制有待于發現。目前本研究通過宏基因組測序技術測定發現，不同種植模式下土壤根系微生物群落功能之間存在顯著性差異，其中能量代謝和物質轉運方面在不同的種植模式根際土壤微生物群落中展示出不同的特點，HR 模式下，membrane transport（膜運輸）微生物功能相對功能富集較強，可能原因是棉花一花生輪作其根系分泌物質與根系發育形態的不同，土壤中募集的微生物群落也不同，作物輪作使微生物的生活環境隨不同年限作物耕種的不同，土壤理化性質不斷變換，土壤微生物群落為適應環境的變化，生物膜功能開始做出調整，提高生物膜的運輸能力，加強與外界環境的物質交換，并且參與膜運輸的菌群主要還可以負責復制和修復及環境信息處理，其在遺傳信息處理上有明顯優勢。研究發現，不同種植模式在促進微生物群落的多樣性的同時提高了生物合成次生代謝產物、ABC轉運體、嘧啶代謝、RNA降解、糖磷酸途徑、肽聚糖合成、氮代謝和RNA聚合酶的豐富度，說明不同的種植模式不僅可以增加土壤微生物的多樣性，而且可以提高土壤微生物的功能。另外，本研究發現，不同種植模式下碳水化合物代謝功能也存在顯著性差異，碳水化合物代謝可促進氮、磷循環。棉花一花生輪作促進了根系土壤微生物中GTs 和 GHs 基因的豐度，通過提高碳水化合物代謝功能基因的豐度，從土壤環境中攝取更多的核苷酸、氨基酸、碳水化合物，提高微生物結構的多樣性，促進生態環境轉化[18]。土壤有機物分解和生物合成的關鍵基因家族與 GTs，GHs 有關，在前人研究中證實GTs負責催化糖分子與其他分子連接[19]， GHs 可以水解糖苷鍵，有寡糖、芳香基糖苷的合成、氨基酸和多肽的糖基化作用；本研究中輪作改善了作物的種植環境，含有較高的GTs 和 GHs 基因豐度，加速了微生物群落結構對土壤中養分的分解，增加了作物根系對營養成分的吸收，并且研究發現 GHs，GTs 家族為單糖、寡糖的形成、轉移及后續代謝提供了基礎，這種形式加快了田間有機，無機物質的生物轉化，為作物更好的攝取營養提供了良好的環境；研究發現GHs 家族主要參與纖維素、寡糖的分解，負責糖苷殘基的剪切[20]，良好的作物輪作的種植模式，不僅可以增加土壤根系微生物結構多樣性，而且能夠利用 GHs 和 GTs 催化產生的不同營養成分來保證其生長，從而驅動的土壤有機碳分解和合成潛力[21]。不同種植模式根系微生物菌群基因蛋白功能存在顯著差異性，菌群蛋白功能基因主要以代謝功能類群為主，主要是調控碳水化合物代謝和氨基酸運輸，其原因與 GTs 和 GHs 基因豐富度增加有關， GHs 作為細菌致病因子，影響作物根系的環境，引起根系病害的發生，為此土壤微生物群落通過增強蛋白基因功能，抵抗病害的威脅；不同作物輪作，土壤根系微生物群落為了更好的適應環境的影響，會通過增加蛋白合成基因的多樣性，促進功能蛋白的多樣性加快物質的運輸，增強生物膜的透性，加強代謝能力，為生存提高更高的保障。研究中根際土壤微生物群落代謝功能的增強，說明輪作的種植方式，在改變微生物群落的多樣性同時，更加顯著的提高微生物群落的功能性，連作的種植模式因為作物種植的單一性，其根際分泌物在根際土壤微生物群落生長過程中起主導作用，所以輪作種植模式增加了作物的多樣性，借此增加根際分泌物質對土壤中營養成分的改變，誘導微生物種群的聚集，在植物-根際土壤-根際微生物三者循環作用下，使土壤中在多種微生物群落互相作用的情況下，增強生物本身的功能，緩解土壤生態惡性變化，促進生態生物功能多樣性，有利于耕地土壤的改善，增加物質結構多樣性，促進作物的生長發育。

在花生的種植過程中，氮元素對花生品質的影響尤為重要，氮循環主要由微生物推動進行，土壤氮素在不同種植模式下，輪作的種植模式顯著提高了微生物中氮素循環相關功能基因的豐度。變形菌門的豐富度在檢測結構中，顯著高于其他菌門的含量，并且在整個微生物結構中占有主要位置，變形菌門通過改變土壤水分的吸取、分配和養分的富集，促進了王壤中生物間反硝化作用，同時增加根際土壤微生物群落多樣性，促進作物生長發育，增加了作物的產量[22]，酸桿菌能以亞硝酸鹽作為氮源，根際微生物分解亞硝酸鹽可以減少土壤中亞硝酸鹽的含量，防止其積累，從而降低亞硝酸鹽對土壤環境的不利影響，亞硝酸鹽在土壤中的積累可能會抑制植物的生長，甚至導致植物中毒。微生物分解亞硝酸鹽有助于減輕這種抑制作用，為植物創造一個更健康的生長環境。微生物通過分解亞硝酸鹽并將其轉化為其他形態的氮，氨是一種易于植物吸收的氮形態，有助于植物更好地吸收氮素，促進其生長和發育。通過分解亞硝酸鹽來減少病原體的數量，增強植物對病蟲害的抵抗力。有助于維持土壤中氮素的平衡，防正氮素過量或不足，這對于作物的持續生長至關重要。本試驗通過輪作的方式增加微生物的多樣性，進而增加微生物間生物交流，增強根際微生物的活性，可以減少化學肥料的使用，幫助植物更有效地吸收利用土壤中的營養，減少對化學肥料的依賴。另一方面亞硝酸鹽在作物生長轉化為亞硝胺，這是一種有害的致癌物質，種植模式改變，能夠促使根際微生物分解亞硝酸鹽，阻止這一有害轉化過程的發生；作物根際微生物分解亞硝酸鹽對于維護作物健康、提升土壤質量和促進可持續發展都具有重要的生態和農業價值[23]。細菌在土壤氮循環中起著重要作用，酸桿菌門、放線菌門等種群的相對豐度與大多數KEGG代謝通路關系密切，研究證實細菌種群對群落功能的發揮起著主導作用，本研究結果也發現棉花一花生輪作后顯著提高反硝化作用相關的K10946、K00376功能基因豐度，norB（一氧化氮還原酶基因）、mirK（亞硝酸還原酶基因）、nosZ（氧化亞氮還原酶基因）的相對豐度，基因功能的多樣性，得益于不同種植模式對土壤環境的影響，輪作模式提高了土壤根系微生物群落對氮養分活化過程相關基因的相對豐度，提高土壤根系微生物對土壤養分的分解，增加土壤養分中氮的含量，促進作物對養分的吸收，氮源的增加可以增加作物內部物質的合成，提升棉花，花生有機質的含量，提高作物的品質。

綜上，基于宏基因組分析結果發現棉花一花生輪作增加了根系土壤中微生物的多樣性和豐富度。與此同時，輪作模式對比連作種植模式顯著增加了土壤中微生物群落結構以及土壤根系微生物功能，土壤中微生物碳水化合物活性酶的活性和主要代謝通路的代謝活性，氮相關功能基因的豐度。研究結果為棉花，花生輪作根系土壤微生物的多樣性及提高栽培棉花，花生的質量提供理論依據。

4結論

棉花一花生輪作對產量及其土壤根系微生物群落結構與功能有顯著影響。花生一棉花輪作增產均在 1 100kg/hm² 以上；土壤根系微生物群落酸桿菌門、變形菌門、芽單胞菌門、綠彎菌門豐富度最高；棉花一花生輪作membranetransport（膜運輸）微生物功能相對功能富集最強，有效提高根系微生物GTs和GHs基因的豐度；輪作模式菌群蛋白功能基因主要以代謝功能類群為主，調控碳水化合物代謝和氨基酸運輸；棉花一花生輪作顯著提高反硝化作用相關的功能基因豐度，如一氧化氮還原酶基因norB、亞硝酸還原酶基因mirK、氧化亞氮還原酶基因nosZ。研究結果為棉花，花生輪作根系土壤微生物群落及基因功能開發利用提供了科學的理論支持，也為提高棉花，花生的產量提供理論依據。

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Effects of Cotton-Peanut Rotation on Yield and Genetic Functions of Soil Microbial Communities

CUI Fuyang ^1，2 ，ZHANG Le3，ZHANG Yun1 ，LI Qiang1，CHEN Xiaolu2 ， HOU Xianfei1 ，MIAO Haocui4 ，GU Yuanguo1 and JIA Donghai1

（1.InstituteofEconomicCrops，XijangAcademofAgriculturalSciencesUrumqi83o91China;2.Colegeofologicalciene andTecnologyYiliNoralUniversity，iliXiiang35oCina；3JilnRuralRevitalzationResearchInstitutelln 132000，China；4.InstituteofCrop VarietyResources，Xinjiang Academyof Agricultural Sciences，Urumqi83o9，China）

Abstract In this study，peanut continuous cropping（HC） and cotton continuous cropping（MC） were used as controls，and cotton-peanut rotation（MR） and peanut-cotton rotation（HR） were used as experimental treatments.The harvest yields of different cropping patterns were measured，and their inter-root soils were subjected to macro-genome sequencing to comprehensively analyze changes in the microbial communities and functions in the rhizosphere soils of cotton and peanut after long-term cotton-peanut rotations.Peanut-cotton rotation increased the yields of coton and peanut by more than 1 100kg/hm² . The soil rhizosphere microbial communities of Acidobacteria，Aspergillus，Bradyrhizobium，and Green Bentobacteria exhibited the highest richness and effectively improved the soil environment；there were significant differences in the functions of soil rhizosphere microbial communities under different cropping modes，and the functions of the membrane transporting microbes under the peanut-cotton rotation mode were relatively. Under the peanut-cotton rotation，the membrane transporting microbial function was relatively strong;the genes of glycoside hydrolases and glycosyltransferases were the most abundant in the rhizosphere microorganisms in the cotton-peanut rotation；there were significant differences in the protein functions of rhizosphere microorganisms under different cropping modes，and the genes of mycobacterial proteins were mainly based on metabolism function groups，carbohydrate metabolism and amino acid transport; denitrification was significantly increased in the cotton-peanut rotation. Cotton-peanut rotation pattern increased the diversity and abundance of rhizosphere soil microorganisms，enhanced the activities of carbohydrate-active enzymes，metabolic activities of major metabolic pathways，and increased the abundance of N-related functional genes in the inter-root soil microbial community.The results of the study provide theoretical support for understanding and utilizing microbial communities and gene functions in the rhizosphere under coton and peanut rotation system，thereby improving the productivity and quality of cotton and peanut.

Key wordsSoil microorganisms;Crop rotation；Yield; Functional gene diversity

Received 2024-12-05 Returned 2025-03-16

Foundation item“Tianshan Talents”Training Program of Xinjiang Uygur Autonomous Region - High-level Talents for the Development of Modern Agriculture and Animal Husbandry（No. 2023SNGGGCCo18）； National Industry Technology System for the Productions of Peanut Production （No.CARS-13）； National Key Ramp;D Program of China（No.2022YFD1000105）; Oil Industry Technology System of Xinjiang Uygur Autonomous Region（No. XJARS-05）; Central Government-Guided Local Development Project（No. ZYYD2024CG23）.

First author CUI Fuyang，male，master student.Research area：microbial development and utilization. E-mail：1273154609@qq.com

Corresponding authorLI Qiang，male，Ph.D，research fellow.Research area：oil crop breeding and cultivation. E-mail：lq19820302@126.com

CHEN Xiaolu，male，Ph. D，associate professor. Research area：breeding，cultivation，and integrated pest management of oil crops. E-mail：cxl8109@163.com

（責任編輯：史亞歌 Responsible editor：SHI Yage）