论文信息

译名：土壤微生物群落结构、潜在生态功能和土壤理化性质对黄瓜不同栽培方式的响应

期刊：Geoderma

IF：7.422

DOI：10.1016/j.geoderma.2022.116237

论文结构

导读：改变作物栽培方式可以通过改变土壤特性来减轻连作的负面影响。 但是，土壤性质和微生物状态是如何具体改变的，在很大程度上还是个未知数。 本研究对6种栽培模式下9年后土壤性质和黄瓜生长进行了研究。

实验思路

为了更地理解文章，up建议带着以下几个问题去阅读文章：

①在结论的三个部分中，分别选用的什么土壤（根际土/非根际土）作为实验材料？

②实验的变量中，哪些是预测变量，哪些是响应变量，与响应变量对应的具体数值是什么？

重要图表

1 不同栽培方式对非根际土和根际土的影响

1.1 真菌和细菌群落结构、组成和多样性

在OTU水平上，不同栽培模式显著影响细菌和真菌群落的多样性（图2）。非根际土壤中，模式1栽培方式下的土壤细菌、真菌群落的Chao1、Observed-species 和 Shannon 多样性指数最高。 在根际土壤中，根际土壤的CHAO1、观测物种和Shannon多样性指数也表现出相同的变化趋势。 基于Bray-Curtis距离对所有土壤样品进行了PCOA分析，提取的两个主坐标分别解释了细菌和真菌总变异的53.18%和76.72%（图3c,d）。 

在土壤样品中共检测到86个细菌门和18个真菌门。不同的培养模式与不同的细菌和真菌群落相关。在非根际土壤样品中，细菌和真菌的属水平微生物共现网络因栽培模式而异(图4b)。虽然节点数相同，但边数完全不同，细菌表现出比真菌更大的差异。

1.2 土壤环境因子与非根际土壤中细菌/真菌群落的相关性

6种栽培模式土壤TN、TP、TK、AP相对相似，但处理对土壤ES、AN、AK、pH影响较大。土壤ES在模式4中显着较高，其中盐渍化最严重，土壤ES在模式1和模式5中最低。土壤AN在模式4中显着降低（表1）。

RDA1 和 RDA2 轴解释了细菌群落在门水平上变异的 45.82% 和 23.76%（图 3e）。同样，RDA1 和 RDA2 轴解释了真菌群落在门水平上变异的 42.28% 和 28.02%。土壤 pH (r = 0.8041, P < 0.001)、AN (r = 0.5842, P < 0.001)、ES (r = 0.8652, P < 0.001) 和 AK (r = 0.6696, P < 0.001) 与细菌群落显着相关、pH、P、K、AP、AK、ES 和 AN 与真菌群落显着相关（P < 0.05）。

2 根际细菌和真菌群落对黄瓜植株生长发育的影响

热图直观地观察到不同栽培模式下黄瓜三个生长阶段的属水平微生物群落组成差异。

14个细菌属在3个阶段与黄瓜农艺性状显著相关(图5)。在雌花开花初期有2个细菌属，在高产结果期有8个细菌属与黄瓜性状显著相关；10个属在结果后期与黄瓜性状显著相关。在黄瓜生长过程中，细菌属数量也与黄瓜性状呈正相关。

在三个生长阶段，17个真菌属与黄瓜农艺性状显著相关(图6)。雌花开花初期有11个属；12个属在高产结果期与黄瓜农艺性状呈显著正相关；结果后期有3个显著相关的属。真菌群落相关性与细菌趋势不同。高产结果期后，随着黄瓜持续生长，显著真菌属数量减少。

3 不同栽培模式下根际与非根际土壤的相互作用

3.1 黄瓜根系菌群的“传播”

在本研究中，我们将在非根际和根际土壤样品中相对丰度较高的细菌和真菌属称为土传微生物(STMs)，它们可能对黄瓜的生长产生重大影响。9个细菌属为STM，其中3个与黄瓜性状显著相关，占细菌STM属的33%；共有13个真菌属是STM，其中11个真菌属在三个阶段与黄瓜性状显著相关，占真菌STM属的84.6%（图5）。

3.2 栽培模式导致微生物生态功能发生变化

不同的栽培模式也改变了土壤微生物的生态功能。根据FAPROTAX预测(图7a)，模式1具有显著更高的基因丰度，这些基因涉及非根际土壤中的大多数生态功能，例如化学异养、硝酸盐还原和铁呼吸。根据FUNGuild预测(图7b)，主要真菌功能在guild水平上分为3种类型(腐生菌、病原菌菌和共生菌)。腐生菌在模式5中占多数，在模式6中观察到腐生菌的丰度最低。共生菌以地衣真菌为主，其相对丰度在模式1中显著较高。

为了阐明不同栽培模式下非根际和根际微生物群功能之间的关系，构建了非根际和根际微生物群功能相对丰度的热图(图B.5)。有趣的是，模式1中(图7a)非根际土壤中高丰度的化学异养型和几丁质分解功能基因在根际土壤样品中进一步富集。在与异化砷酸盐还原和砷酸盐解毒相关的基因丰度方面也观察到类似的趋势。模式6的根际样品中芳烃降解和烃降解相关基因的丰度显著较高。在模式6的根际中，在雌花开花初期和结果后期，硝酸盐还原、氮呼吸和硝态氮呼吸等氮相关功能的丰度增加。与细菌相比，真菌生态功能没有表现出一致的规律性，主要在模式1的非根际土壤中富集显著。

3.3 土壤微生物群落、生态功能与土壤性质之间的关系

在STMs中，Pseudomonas和Sphingomonas与pH呈显著正相关，Sphingomonas与AP呈负相关(图7c和d)。发酵、氮呼吸、硝酸盐呼吸、芳香烃降解、碳氢化合物降解等生态功能与pH呈极显著正相关，亚硝酸盐呼吸和好氧氨氧化与AK呈显著负相关。我们还发现，土壤性质的变化与真菌属和大多数主要真菌功能之间存在显著相关性。例如，地衣真菌、土壤腐生菌、内生菌、欧石南类菌根和兰科菌根的功能与土壤pH呈显著正相关，与AP呈极显著负相关。这些功能群大多是共生菌群，表明共生微生物群可能在减轻土壤酸化方面发挥重要作用。有趣的是，细菌/真菌类群假单胞菌、Lysurus和Penicillium同时与土壤AN、土壤pH和黄瓜性状显著相关。

讨论

1 栽培模式对土壤理化性质的影响

不同的栽培方式对土壤的生态影响不同(表1)。本研究中，模式1农田土壤同时具有厌氧和好氧条件。厌氧条件有利于腐殖质的形成，好氧条件有利于CO2的产生，两者共同促进土壤团聚体结构的形成。团聚体结构较好的土壤更适合微生物栖息和植物生长。模式6的AK含量最高(表1)，这与之前发现的青蒜间作系统调节土壤微生态环境，提高土壤AK、AN、AP和其他养分的有效性一致。与模式2和3相比，模式4在塑料棚利用率最高的情况下，AN含量最低(表1)。这可能与塑料棚栽培下的遮荫有关，因为植物通过增加其绿色表面积获得足够的光进行光合作用。在适当的肥料管理下，温室栽培可以促进营养生长并增加氮肥的消耗。模式1的AK含量最低，这可能与水旱轮作过程中水分淋滤有关，这可以减少土壤过量的AN、AP和AK。相比之下，由于缺乏雨水淋溶，温室土壤容易酸化、盐碱化和压实。在模式2、3和4中使用相同的作物轮作，ES随着塑料棚利用率的增加而增加，这与之前的研究一致。与常规栽培(模式2)相比，水稻旱作(模式1)和嫁接栽培(模式5)的土壤盐渍化程度最低，但差异未达到统计学水平。

不同栽培模式下土壤pH值差异显著(表1)。与其他5种栽培模式相比，栽培模式1的土壤酸化速度显著减缓。这与Fang等人的研究结果一致。土壤pH值可以通过改变碳、氮基质以及有毒金属的生物利用度来影响土壤微生物生物量，从而导致整个群落组成的变化。

 

2 栽培方式和主要理化性质对微生物组成和潜在功能的影响

不同栽培模式引起的土壤理化性质变化会显著影响微生物群落。土壤微生物群落的丰富度和多样性是维持农业土壤生态系统生产力和稳定性的关键。在这项研究中，PCoA揭示了六种培养模式中细菌和真菌群落的差异。6种栽培模式在门水平的15个成对比较中，细菌门的差异较大，而只有6个比较显示真菌门差异显著。因此，细菌可能比真菌对栽培模式更敏感(图B2和4a)。

土壤微生物群落组成和土壤理化性质相互作用，进而影响土壤微生物组的潜在功能。土壤pH显著影响土壤微生物种类和土壤反硝化作用。与硝酸盐还原、氮呼吸和硝酸盐呼吸相关的基因在模式1的非根际土壤中显著富集(图7a)，这可能有助于反硝化。土壤pH值与土壤细菌群落及其相应的生态功能密切相关。相关性分析表明，非根际假单胞菌、鞘单胞菌等属(P < 0.01)和氮呼吸、硝酸盐呼吸等细菌生态功能(P< 0.01)与土壤pH呈显著正相关。影响真菌功能差异的主要因素是pH和AP，pH的影响比AP更显著(图7d)。Duddigan等人发现，土壤pH值的变化会影响土壤养分的流动性，进而影响植物性状和生物量。土壤理化性质与栽培模式的联系对土壤微生物具有多种影响。

模式1的非根际土壤中一些富集细菌属(图B.4.c)，如根瘤菌和假单胞菌，被认为是促进植物生长的根际细菌(PGPRs)。鞘单胞菌在模式1的非根际土壤中也显著富集，尽管它不是PGPR，但据报道它可以减轻镉毒性(Cd)、产生类胡萝卜素并提高水稻的抗逆性。Gemmatimonas和unidentified-Gemmatimonadaceae在模式1中也显著富集。据报道，这些微生物可以加速氮循环并聚集磷酸盐，从而促进植物生长。这可能导致土壤AN和AP含量在模式1的淋溶后保持相对稳定。在模式1中显著富集的Devosia和Pseudolabrys参与能量转移以及其他生物学功能。据报道，Devosia可有效控制赤霉病(FHB)并降解霉菌毒素脱氧雪腐镰刀菌烯醇(DON)。在高寒土壤中发现的Pseudolabrys表现出快速生长和对低温的强适应性，它可能是一种潜在的抗逆细菌，可促进植物抗逆。

在6种栽培模式中显著富集的真菌群落也存在差异。在栽培模式1中，显著富集的属包括Candelaria、Stagonosporopsis和Chaetomium，据报道它们都可以拮抗病原微生物，从而促进植物健康生长。当氮源稳定为硝酸盐时，Stagonosporopsis还具有上调pH的能力，这种效应可能有助于缓解模式1中的酸化。Lecanicillium是一种众所周知的昆虫病原真菌，也是针对农业害虫、植物线虫和病原体的有效生物防治剂。模式1和3富集的Lecanicillium可以帮助植物更好地抵抗这些栽培模式中的病虫害。此外，模式2和4富集的Nigrospora可引起各种作物的叶斑病。模式2和5富集的Blumeria是一种众所周知的小麦病害，可引起禾本科白粉病。Byssochlamys和Verticillium分别在栽培模式5和4中显著富集，也被认为是植物病原体。这些潜在的致病真菌可能在作物轮作过程中产生复合侵染或直接侵染，从而影响植物生长。

 

3 关键微生物类群在黄瓜生长中的作用及功能

根际微生物，被称为植物的第二基因组，对植物生长和健康至关重要，是探索根-土壤-微生物相互作用的重要研究主题。一些与植物根系密切相关的PGPRs可通过各种机制用于增强宿主植物的适应性。Pearson相关性结果表明，14个细菌属与3个生长阶段的6个黄瓜农艺性状存在显著相关性(图5)。其中一些可以被视为PGPR，例如Serratia、Massilia等。Arachidicoccus相对丰度与黄瓜叶长、叶宽在结果后期呈正相关(P< 0.05)。在Madhaiyan等人的一项研究中，还发现Arachidicoccus可以促进植物生长。一些STMs(Chujaibacter、Burkholderia和Dyella)也与黄瓜株高、节数、茎粗和叶长和叶宽显著相关。因此，它们可能在黄瓜的生长中发挥重要作用。例如，据报道，在模式4中富集的Chujaibacter有利于去除NH4+-N，这可能是模式4中AN显著降低的原因之一。

一些真菌属还具有生物防治或植物生长促进能力。Penicillium、Trichoderma和Ceratobasidium与黄瓜株高、叶长/宽、节数、茎粗、地上干重呈显著相关。Ceratobasidium在EFR和HFR的模式6中显著富集，Trichoderma在LFR1的模式1中显著富集。Ceratobasidium和Trichoderma已被用作生物防治真菌，可有效控制由镰刀菌引起的枯萎病。青霉菌和木霉菌是STMs。同时，许多真菌属被认为是植物病原体。镰刀菌在中国无处不在，在许多植物中引起毁灭性的疾病，其次是Gibberella和Alternaria。其中，镰刀菌和Alternaria是STMs，在模式3和6的非根际土壤中显著富集(图B.4b)。Gibberella与黄瓜株高、叶长/宽和节数呈显著负相关，且在模式6中显著富集(图6a，b)。

一些关键的微生物相关功能对土壤生态系统健康至关重要，也可能影响黄瓜产量。Nitrospirota (以前称为Nitrospirae或Nitrospira)是一种被广泛认可的硝化细菌，在培养模式1中显著富集(P < 0.05)(图B.2)。直到2015年才发现能够完全硝化的细菌，并且都属于Nitrospirota。Nitrospirota通过完全硝化或氨氧化产生的NO3-可直接为反硝化提供底物。硝酸盐污染现在已成为一个全球性问题，因为硝酸盐会污染地下水或留在土壤中。与反硝化相关的基因，包括与硝酸盐还原、氮呼吸和硝酸盐呼吸相关的基因，在模式1中显著富集，其次是模式6(图7a)，表明可能具有促进反硝化的能力，这可能会进一步促进氮循环。栽培模式1可能更有利于硝化和反硝化相关微生物的富集，从而促进氮循环，进而促进可持续农业栽培。

本研究发现模式1的根际土壤中显著富集了与异化砷酸盐还原和砷酸盐解毒相关的功能基因(图B.5a)。砷(As)污染一直是一个严重的环境问题。据报道，拟杆菌通过类金属代谢降解或转化As。模式1中与As代谢相关的功能基因(砷酸还原酶，arsC)和拟杆菌的丰度显著更高(图3a)，这表明模式1的根际微生物群可能比其他五种模式具有更强的As降解能力。植物对As的吸收与土壤中P/As的比例有关。本研究结果表明，6种模式下非根际土壤的P含量没有差异(表1)，表明低As土壤可能促进植物As浓度的降低。因此，模式1中具有更多As相关代谢功能的根际微生物群可能促进黄瓜的生长，也可能有利于As损伤后根系和土壤的恢复。

与芳烃降解、烃降解、芳香族化合物降解相关的生态功能基因也在模式1的非根际土壤和模式6的根际土壤中富集(图7a和B.5a)，表明这些土壤中可能存在更丰富的潜在烃类降解微生物(图B.4a, c)。例如，Paraburkholderia、Pseudomonas、Stenotrophomonas等被报道为降解多环芳烃(PAHs)的潜在候选菌株，均富集于模式1的非根际土壤和模式6的根际土壤中。然而，目前对这些降解微生物的研究大多局限于菌株特征或基因组序列分析，尚未有系统报道其在实际农业生产系统中的作用。更加系统和全面的研究将有助于促进微生物在农业可持续发展中的应用。

结论

在本研究中，不同栽培方式对土壤理化性质和微生物群落结构有显著影响，也改变了潜在微生物功能基因的丰度。根际土壤中某些微生物(Serratia、Arachidicoccus、Penicillium等)的存在与植物生长显著相关，这些微生物的鉴定可为新生防菌株的开发和筛选提供指导。模式1(水旱轮作)显著减缓了土壤酸化趋势。与模式2(常规露天栽培)相比，随着模式3(早春塑料棚覆盖栽培)和模式4(塑料棚栽培)塑料棚利用率的增加，盐渍化变得更加严重。模式1和6(大蒜轮作)增加了土壤中拮抗微生物群(Devosia、Lecanicillium等)、功能性微生物群(Gemmatimonas、Sphingomonas、Paraburkholderia等)和共生微生物群的相对丰度。病原微生物群(Nigrospora、Blumeria、Verticillium、Fusarium等)倾向于在模式2至6中富集。在微生物功能预测方面，微生物辅助的土壤氮循环和芳香族化合物降解似乎受栽培模式的显著影响，在模式1和6中增强，参与砷酸盐解毒的微生物功能也在模式1中显著富集。这些结果表明，改变耕作模式可能为农田中的元素循环利用和减少土壤污染提供一种手段。这些现象表明，通过调整栽培模式可以诱导健康的非根际和根际土壤环境。水旱轮作和大蒜轮作模式塑造了健康的土壤环境，可能更有利于农业生产和生态系统的可持续发展。

问题回答

①在结论的三个部分中，分别选用的什么土壤（根际土/非根际土）作为实验材料？

分析土壤中微生物的各多样性指数、土壤环境因子与土壤中细菌/真菌群落的相关性、栽培模式导致微生物生态功能发生变化时，仅使用非根际土；分析根际微生物对植物生长发育影响时，仅使用根际土；其余的数据分析同时使用根际土与分根际土。

②实验的变量中，哪些是预测变量，哪些是响应变量，与响应变量对应的具体数值是什么？

主要预测变量：不同的栽培模式

其他预测变量：植物的三个生长阶段，根际土/非根际土，细菌/真菌...

响应变量：

微生物多样性——Chao1多样性指数、Observed-species多样性指数、Shannon多样性指数、相对丰度；

微生物的结构——Bray–Curtis距离

原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016706122005444

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