科研 | Applied Soil Ecology:亚表层土壤退化是枸杞连作障碍形成的重要原因

2021
09/09

+
分享
评论
微生态
A-
A+



编译:微科盟彭彤,编辑:微科盟汤貝、江舜尧。

微科盟原创微文,欢迎转发转载,转载须注明来源《微生态》公众号

导读  
作为茄科的重要盐生植物,枸杞具有极强的耐受干旱、盐碱和土壤贫瘠等特征,因而极其适合在我国西北干旱/半干旱地区种植。枸杞种植是该地区农民增收的特色优势农产业之一。然而,长期连作导致的枸杞产量和品质下降,已严重影响杞农的种植收益和区域农村经济发展。目前就枸杞连作障碍的形成机制仍不明确。为探索这一机制,研究人员前期揭示了枸杞根际细菌群落解偶联、病原真菌富集与枸杞连作障碍发生间的关系(Na et al., 2019)。  
在此基础上,该研究团队近期进一步分析了不同种植年限枸杞地表层(0-20 cm)和亚表层(20-40 cm)土壤主要非生物特征和微生物群落多样性的变化模式。实验结果发现,长期连作使枸杞地土壤总有机碳、全氮、全磷和可利用氮积累,但同时造成土壤次生盐碱化和酸度增加、镰刀菌属真菌积累和土壤细菌群落α-多样性指数下降。其中,土壤次生盐碱化、病原真菌积累和细菌多样性降低的程度在亚表层土壤更为严重。  
共现性网络分析表明,连作导致土壤微生物互作网络结构复杂性降低,说明连作严重干扰了土壤微生物群落间的潜在相互作用。基于结构方程的分析也进一步表明,细菌群落组成变化是枸杞地土壤茄病镰刀菌绝对丰度增加的直接解释因子,故推测土壤细菌群落结构和功能变异可能是枸杞连作障碍发生的重要原因。综合分析,该研究团队认为:连作导致的土壤次生盐碱化、微生物多样性丧失和植物病原真菌积累是枸杞地土壤健康的主要威胁,并强调亚表层土壤退化可能对枸杞可持续种植造成更多负面效应。  

 

论文ID


 

名:Lycium barbarum L. (goji berry)monocropping causes microbial diversity loss and induces Fusarium spp. enrichment at distinct soil layers

亚表层土壤退化是枸杞连作障碍形成的重要原因

期刊Applied Soil Ecology

IF:4.046

发表时间:2021.06.17

通讯作者:纳小凡&梁文裕&Paul Kardol

通讯作者单位:兰州大学&宁夏大学&瑞典农业科学大学



实验方法


实验在宁夏银川市南梁农场(银川西夏区)和惠农(石嘴山惠惠区)两个独立地区进行。每个地区采集了枸杞、玉米以及荒地三种样地,其中玉米地土壤作为对照。该研究在南梁农场内选择了种植1、9、17和20年;惠农地区选取了种植5、15和20年的枸杞地,用于分析土壤生物/非生物因子与种植年限间的关系。

在每个树龄样地中设置了3个随机样方(10×10米,样方间距50米)。在每个样方中,随机用土钻在距离枸杞主干15 cm处采集 0-20 cm和20-40 cm土壤;每个样方采集10钻,后合并为一个土壤样本。实验共采集了33个表层和33个亚表层枸杞地土壤样本进行后续分析。新鲜土壤过2 mm筛以去除植物碎片后充分混匀,一半样品经风干,用于土壤理化性质分析;另一半立即用于土壤酶活性和含水量测定,DNA提取土壤暂时储存于−80℃冰箱备用。


 

结果与讨论


1、土壤主要理化性质和酶活性变化
枸杞地土壤总有机碳、总磷、总氮、可利用氮、含水量和电导率均随种植年限增加呈线性增加,土壤pH则逐渐下降。表层土总有机碳、总磷、总氮和可利用氮的积累量均高于亚表层土;相反,亚表层土壤的电导率随种植年限增加逐渐高于表层土壤。其中,当连续种植超过15年后,枸杞地土壤的电导率接近甚至高于20 dSm-1。据前人研究结论:当电导率约为20 dSm-1时,土壤会对枸杞根系造成强烈的渗透胁迫,造成生长抑制。因此,长期过量施肥引起的土壤次生盐碱化会直接或间接通过影响微生物功能,对枸杞生长造成负面影响。尽管土壤次生盐碱化的效应仍有待评估,但从长期看,种植过程中减施化肥、增施有机肥等减缓土壤次生盐碱化的做法值得尝试。
酶活分析发现,表层土壤蛋白酶和脱氢酶活性随树龄增加而线性增长,而土壤蔗糖酶、酸磷酸酶和脲酶活性则呈抛物线变化,其活性在种植15年后开始逐步降低。与表层土相比,亚表层土壤蔗糖酶、蛋白酶和酸磷酸酶活性均在9-15年之间达到峰值,且均低于表层土壤。其他土壤酶活性无明显年代变模式。由于土壤酶活性反应了土壤元素转化和物质代谢能力,因此,亚表层土壤酶活性长期在低水平维持可能暗示该层土壤功能紊乱。

图1 不同深度枸杞地土壤主要酶活性随树龄增加的变化趋势。

2、微生物丰度和群落多样性变化
实时荧光定量PCR结果显示,表层土16S rDNA基因丰度与树龄呈抛物线关系,该基因拷贝数在连作9年后逐渐积累。随着种植年限增加,18S rDNA基因丰度略有增加。在亚表层土中,18S rDNA基因丰度随种植年限增加逐渐下降,且16S rDNA/18S rDNA比例随着植株年龄增加而升高。测序结果发现,枸杞地亚表层土壤细菌群落的ShannonPielouN1指数以及表层土壤真菌群落的Chao1N0指数均随树龄增加而显著降低,说明连作造成相应土层微生物群落多样性损失,从而危及枸杞地土壤生态系统功能。

图2 枸杞地不同深度土壤细菌和真菌群落α-多样性指数随树龄增加的变化模式。

       测序结果发现,变形菌门、放线菌门、拟杆菌门、酸杆菌门、芽单胞菌门、绿弯菌门、厚壁菌门、奇古菌门、热微菌门和硝化螺旋菌门是排名前10的优势细菌和古菌门。其中,硝化螺旋菌门(两个深度)、酸性杆菌门和拟杆菌门(亚表层)的丰度与种植年限呈负相关关系,而放线菌(亚表层)则相反。真菌群落中,镰刀菌属和链格孢属是枸杞地土壤真菌群落的优势属,其中镰刀菌属的相对丰度随种植年限增加而显著积累。同时,亚表层土壤中镰刀菌属的相对丰度普遍高于表层土壤。荧光定量PCR结果进一步表明,茄病镰刀菌是所测定样地镰刀菌属的优势菌种,其绝对丰度随种植年限增加而显著积累,但链格孢菌的绝对丰度则逐渐降低。

图3 荧光定量PCR分析不同深度枸杞地土壤链格孢菌(A)和茄病镰刀菌(B)绝对丰度的变化模式。

3、连作降低土壤微生物群落共线性网络复杂度
共现性网络分析显示,与年轻枸杞地(159年)相比,老龄枸杞地(1720年)土壤微生物群落共线性网络的节点数、边数、平均相邻节点数、平均路径长度和平均聚类系数均较低。由于微生物共线性网络组成代表着不同微生物群落间的潜在互作关系和生态系统的功能及稳定性,因此,共现性网络复杂性的降低进一步暗示连作干扰了枸杞地土壤生态系统的正常功能,从而增强了植物-土壤负反馈作用。

图4 枸杞地不同深度土壤微生物网络互作分析。

4、驱动土壤微生物群落组成变化的因素
方差分解分析发现,土壤理化性质、取样地点和树龄是枸杞地土壤细菌和真菌群落变化的主要解释因子,这些因子分别解释了细菌和真菌群落组成变化的25.2%~34.9%。其中,土壤理化性质是两个深度微生物群落组成的最佳预测因子,单独解释了细菌和真菌群落变化的12.3%~15.8%
结构方程模型发现,所构建模型解释了枸杞地土壤茄病镰刀菌绝对丰度变化的71%74%,其中土壤细菌群落组成是该菌绝对丰度变化的直接解释因子。这一发现与之前的研究极其相似,推测连作可能减弱了枸杞根际和非根际土壤细菌群落对丝状真菌拮抗作用,导致植物病原真菌大量富集,最终诱发了土传病害。在未来,仍需要通过结合共培养实验和合成微生物组技术,阐释连作对土壤微生物功能和不同群落潜在相互的影响,为枸杞可持续种植模式开发提供基础理论。

图5 枸杞地表层(A)和亚表层(B)土壤不同因素间关系的结构方程模型。


结论


通过对不同种植年限枸杞地表层和亚表层土壤生物和非生物参数的全面研究,本研究发现土壤次生盐碱化、微生物多样性损失和镰刀菌属真菌富集是枸杞可持续种植的主要威胁。值得注意的是,长期连作对土壤细菌群落的负面影响可能扰乱了枸杞地土壤益生和致病微生物间的平衡关系,导致枸杞连作障碍发生。此外,枸杞地亚表层土壤退化可能在枸杞-土壤负反馈形成中发挥重要作用,提示在枸杞种植过程中应同时关注深层土壤的健康状况。




本文由“健康号”用户上传、授权发布,以上内容(含文字、图片、视频)不代表健康界立场。“健康号”系信息发布平台,仅提供信息存储服务,如有转载、侵权等任何问题,请联系健康界(jkh@hmkx.cn)处理。
关键词:
微生物,科研,细菌,年限

人点赞

收藏

人收藏

打赏

打赏

我有话说

0条评论

0/500

评论字数超出限制

表情
评论

为你推荐

推荐课程


社群

精彩视频

您的申请提交成功

确定 取消
剩余5
×

打赏金额

认可我就打赏我~

1元 5元 10元 20元 50元 其它

打赏

打赏作者

认可我就打赏我~

×

扫描二维码

立即打赏给Ta吧!

温馨提示:仅支持微信支付!