論文信息

譯名：土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、潛在生態(tài)功能和土壤理化性質(zhì)對(duì)黃瓜不同栽培方式的響應(yīng)

期刊：Geoderma

IF：7.422

DOI：10.1016/j.geoderma.2022.116237

論文結(jié)構(gòu)

導(dǎo)讀：改變作物栽培方式可以通過改變土壤特性來減輕連作的負(fù)面影響。 但是，土壤性質(zhì)和微生物狀態(tài)是如何具體改變的，在很大程度上還是個(gè)未知數(shù)。 本研究對(duì)6種栽培模式下9年后土壤性質(zhì)和黃瓜生長進(jìn)行了研究。

實(shí)驗(yàn)思路

為了更地理解文章，up建議帶著以下幾個(gè)問題去閱讀文章：

①在結(jié)論的三個(gè)部分中，分別選用的什么土壤（根際土/非根際土）作為實(shí)驗(yàn)材料？

②實(shí)驗(yàn)的變量中，哪些是預(yù)測變量，哪些是響應(yīng)變量，與響應(yīng)變量對(duì)應(yīng)的具體數(shù)值是什么？

重要圖表

1 不同栽培方式對(duì)非根際土和根際土的影響

1.1 真菌和細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、組成和多樣性

在OTU水平上，不同栽培模式顯著影響細(xì)菌和真菌群落的多樣性（圖2）。非根際土壤中，模式1栽培方式下的土壤細(xì)菌、真菌群落的Chao1、Observed-species 和 Shannon 多樣性指數(shù)最高。?在根際土壤中，根際土壤的CHAO1、觀測物種和Shannon多樣性指數(shù)也表現(xiàn)出相同的變化趨勢。 基于Bray-Curtis距離對(duì)所有土壤樣品進(jìn)行了PCOA分析，提取的兩個(gè)主坐標(biāo)分別解釋了細(xì)菌和真菌總變異的53.18%和76.72%（圖3c,d）。?

在土壤樣品中共檢測到86個(gè)細(xì)菌門和18個(gè)真菌門。不同的培養(yǎng)模式與不同的細(xì)菌和真菌群落相關(guān)。在非根際土壤樣品中，細(xì)菌和真菌的屬水平微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)因栽培模式而異(圖4b)。雖然節(jié)點(diǎn)數(shù)相同，但邊數(shù)完全不同，細(xì)菌表現(xiàn)出比真菌更大的差異。

1.2 土壤環(huán)境因子與非根際土壤中細(xì)菌/真菌群落的相關(guān)性

6種栽培模式土壤TN、TP、TK、AP相對(duì)相似，但處理對(duì)土壤ES、AN、AK、pH影響較大。土壤ES在模式4中顯著較高，其中鹽漬化最嚴(yán)重，土壤ES在模式1和模式5中最低。土壤AN在模式4中顯著降低（表1）。

RDA1 和 RDA2 軸解釋了細(xì)菌群落在門水平上變異的 45.82% 和 23.76%（圖 3e）。同樣，RDA1 和 RDA2 軸解釋了真菌群落在門水平上變異的 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) 與細(xì)菌群落顯著相關(guān)、pH、P、K、AP、AK、ES 和 AN 與真菌群落顯著相關(guān)（P < 0.05）。

2?根際細(xì)菌和真菌群落對(duì)黃瓜植株生長發(fā)育的影響

熱圖直觀地觀察到不同栽培模式下黃瓜三個(gè)生長階段的屬水平微生物群落組成差異。

14個(gè)細(xì)菌屬在3個(gè)階段與黃瓜農(nóng)藝性狀顯著相關(guān)(圖5)。在雌花開花初期有2個(gè)細(xì)菌屬，在高產(chǎn)結(jié)果期有8個(gè)細(xì)菌屬與黃瓜性狀顯著相關(guān)；10個(gè)屬在結(jié)果后期與黃瓜性狀顯著相關(guān)。在黃瓜生長過程中，細(xì)菌屬數(shù)量也與黃瓜性狀呈正相關(guān)。

在三個(gè)生長階段，17個(gè)真菌屬與黃瓜農(nóng)藝性狀顯著相關(guān)(圖6)。雌花開花初期有11個(gè)屬；12個(gè)屬在高產(chǎn)結(jié)果期與黃瓜農(nóng)藝性狀呈顯著正相關(guān)；結(jié)果后期有3個(gè)顯著相關(guān)的屬。真菌群落相關(guān)性與細(xì)菌趨勢不同。高產(chǎn)結(jié)果期后，隨著黃瓜持續(xù)生長，顯著真菌屬數(shù)量減少。

3?不同栽培模式下根際與非根際土壤的相互作用

3.1?黃瓜根系菌群的“傳播”

在本研究中，我們將在非根際和根際土壤樣品中相對(duì)豐度較高的細(xì)菌和真菌屬稱為土傳微生物(STMs)，它們可能對(duì)黃瓜的生長產(chǎn)生重大影響。9個(gè)細(xì)菌屬為STM，其中3個(gè)與黃瓜性狀顯著相關(guān)，占細(xì)菌STM屬的33%；共有13個(gè)真菌屬是STM，其中11個(gè)真菌屬在三個(gè)階段與黃瓜性狀顯著相關(guān)，占真菌STM屬的84.6%（圖5）。

3.2?栽培模式導(dǎo)致微生物生態(tài)功能發(fā)生變化

不同的栽培模式也改變了土壤微生物的生態(tài)功能。根據(jù)FAPROTAX預(yù)測(圖7a)，模式1具有顯著更高的基因豐度，這些基因涉及非根際土壤中的大多數(shù)生態(tài)功能，例如化學(xué)異養(yǎng)、硝酸鹽還原和鐵呼吸。根據(jù)FUNGuild預(yù)測(圖7b)，主要真菌功能在guild水平上分為3種類型(腐生菌、病原菌菌和共生菌)。腐生菌在模式5中占多數(shù)，在模式6中觀察到腐生菌的豐度最低。共生菌以地衣真菌為主，其相對(duì)豐度在模式1中顯著較高。

為了闡明不同栽培模式下非根際和根際微生物群功能之間的關(guān)系，構(gòu)建了非根際和根際微生物群功能相對(duì)豐度的熱圖(圖B.5)。有趣的是，模式1中(圖7a)非根際土壤中高豐度的化學(xué)異養(yǎng)型和幾丁質(zhì)分解功能基因在根際土壤樣品中進(jìn)一步富集。在與異化砷酸鹽還原和砷酸鹽解毒相關(guān)的基因豐度方面也觀察到類似的趨勢。模式6的根際樣品中芳烴降解和烴降解相關(guān)基因的豐度顯著較高。在模式6的根際中，在雌花開花初期和結(jié)果后期，硝酸鹽還原、氮呼吸和硝態(tài)氮呼吸等氮相關(guān)功能的豐度增加。與細(xì)菌相比，真菌生態(tài)功能沒有表現(xiàn)出一致的規(guī)律性，主要在模式1的非根際土壤中富集顯著。

3.3?土壤微生物群落、生態(tài)功能與土壤性質(zhì)之間的關(guān)系

在STMs中，Pseudomonas和Sphingomonas與pH呈顯著正相關(guān)，Sphingomonas與AP呈負(fù)相關(guān)(圖7c和d)。發(fā)酵、氮呼吸、硝酸鹽呼吸、芳香烴降解、碳?xì)浠衔锝到?/span>等生態(tài)功能與pH呈極顯著正相關(guān)，亞硝酸鹽呼吸和好氧氨氧化與AK呈顯著負(fù)相關(guān)。我們還發(fā)現(xiàn)，土壤性質(zhì)的變化與真菌屬和大多數(shù)主要真菌功能之間存在顯著相關(guān)性。例如，地衣真菌、土壤腐生菌、內(nèi)生菌、歐石南類菌根和蘭科菌根的功能與土壤pH呈顯著正相關(guān)，與AP呈極顯著負(fù)相關(guān)。這些功能群大多是共生菌群，表明共生微生物群可能在減輕土壤酸化方面發(fā)揮重要作用。有趣的是，細(xì)菌/真菌類群假單胞菌、Lysurus和Penicillium同時(shí)與土壤AN、土壤pH和黃瓜性狀顯著相關(guān)。

討論

1?栽培模式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

不同的栽培方式對(duì)土壤的生態(tài)影響不同(表1)。本研究中，模式1農(nóng)田土壤同時(shí)具有厭氧和好氧條件。厭氧條件有利于腐殖質(zhì)的形成，好氧條件有利于CO2的產(chǎn)生，兩者共同促進(jìn)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的形成。團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)較好的土壤更適合微生物棲息和植物生長。模式6的AK含量最高(表1)，這與之前發(fā)現(xiàn)的青蒜間作系統(tǒng)調(diào)節(jié)土壤微生態(tài)環(huán)境，提高土壤AK、AN、AP和其他養(yǎng)分的有效性一致。與模式2和3相比，模式4在塑料棚利用率最高的情況下，AN含量最低(表1)。這可能與塑料棚栽培下的遮蔭有關(guān)，因?yàn)橹参锿ㄟ^增加其綠色表面積獲得足夠的光進(jìn)行光合作用。在適當(dāng)?shù)姆柿瞎芾硐?，溫室栽培可以促進(jìn)營養(yǎng)生長并增加氮肥的消耗。模式1的AK含量最低，這可能與水旱輪作過程中水分淋濾有關(guān)，這可以減少土壤過量的AN、AP和AK。相比之下，由于缺乏雨水淋溶，溫室土壤容易酸化、鹽堿化和壓實(shí)。在模式2、3和4中使用相同的作物輪作，ES隨著塑料棚利用率的增加而增加，這與之前的研究一致。與常規(guī)栽培(模式2)相比，水稻旱作(模式1)和嫁接栽培(模式5)的土壤鹽漬化程度最低，但差異未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)水平。

不同栽培模式下土壤pH值差異顯著(表1)。與其他5種栽培模式相比，栽培模式1的土壤酸化速度顯著減緩。這與Fang等人的研究結(jié)果一致。土壤pH值可以通過改變碳、氮基質(zhì)以及有毒金屬的生物利用度來影響土壤微生物生物量，從而導(dǎo)致整個(gè)群落組成的變化。

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2?栽培方式和主要理化性質(zhì)對(duì)微生物組成和潛在功能的影響

不同栽培模式引起的土壤理化性質(zhì)變化會(huì)顯著影響微生物群落。土壤微生物群落的豐富度和多樣性是維持農(nóng)業(yè)土壤生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力和穩(wěn)定性的關(guān)鍵。在這項(xiàng)研究中，PCoA揭示了六種培養(yǎng)模式中細(xì)菌和真菌群落的差異。6種栽培模式在門水平的15個(gè)成對(duì)比較中，細(xì)菌門的差異較大，而只有6個(gè)比較顯示真菌門差異顯著。因此，細(xì)菌可能比真菌對(duì)栽培模式更敏感(圖B2和4a)。

土壤微生物群落組成和土壤理化性質(zhì)相互作用，進(jìn)而影響土壤微生物組的潛在功能。土壤pH顯著影響土壤微生物種類和土壤反硝化作用。與硝酸鹽還原、氮呼吸和硝酸鹽呼吸相關(guān)的基因在模式1的非根際土壤中顯著富集(圖7a)，這可能有助于反硝化。土壤pH值與土壤細(xì)菌群落及其相應(yīng)的生態(tài)功能密切相關(guān)。相關(guān)性分析表明，非根際假單胞菌、鞘單胞菌等屬(P?< 0.01)和氮呼吸、硝酸鹽呼吸等細(xì)菌生態(tài)功能(P< 0.01)與土壤pH呈顯著正相關(guān)。影響真菌功能差異的主要因素是pH和AP，pH的影響比AP更顯著(圖7d)。Duddigan等人發(fā)現(xiàn)，土壤pH值的變化會(huì)影響土壤養(yǎng)分的流動(dòng)性，進(jìn)而影響植物性狀和生物量。土壤理化性質(zhì)與栽培模式的聯(lián)系對(duì)土壤微生物具有多種影響。

模式1的非根際土壤中一些富集細(xì)菌屬(圖B.4.c)，如根瘤菌和假單胞菌，被認(rèn)為是促進(jìn)植物生長的根際細(xì)菌(PGPRs)。鞘單胞菌在模式1的非根際土壤中也顯著富集，盡管它不是PGPR，但據(jù)報(bào)道它可以減輕鎘毒性(Cd)、產(chǎn)生類胡蘿卜素并提高水稻的抗逆性。Gemmatimonas和unidentified-Gemmatimonadaceae在模式1中也顯著富集。據(jù)報(bào)道，這些微生物可以加速氮循環(huán)并聚集磷酸鹽，從而促進(jìn)植物生長。這可能導(dǎo)致土壤AN和AP含量在模式1的淋溶后保持相對(duì)穩(wěn)定。在模式1中顯著富集的Devosia和Pseudolabrys參與能量轉(zhuǎn)移以及其他生物學(xué)功能。據(jù)報(bào)道，Devosia可有效控制赤霉病(FHB)并降解霉菌毒素脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(DON)。在高寒土壤中發(fā)現(xiàn)的Pseudolabrys表現(xiàn)出快速生長和對(duì)低溫的強(qiáng)適應(yīng)性，它可能是一種潛在的抗逆細(xì)菌，可促進(jìn)植物抗逆。

在6種栽培模式中顯著富集的真菌群落也存在差異。在栽培模式1中，顯著富集的屬包括Candelaria、Stagonosporopsis和Chaetomium，據(jù)報(bào)道它們都可以拮抗病原微生物，從而促進(jìn)植物健康生長。當(dāng)?shù)捶€(wěn)定為硝酸鹽時(shí)，Stagonosporopsis還具有上調(diào)pH的能力，這種效應(yīng)可能有助于緩解模式1中的酸化。Lecanicillium是一種眾所周知的昆蟲病原真菌，也是針對(duì)農(nóng)業(yè)害蟲、植物線蟲和病原體的有效生物防治劑。模式1和3富集的Lecanicillium可以幫助植物更好地抵抗這些栽培模式中的病蟲害。此外，模式2和4富集的Nigrospora可引起各種作物的葉斑病。模式2和5富集的Blumeria是一種眾所周知的小麥病害，可引起禾本科白粉病。Byssochlamys和Verticillium分別在栽培模式5和4中顯著富集，也被認(rèn)為是植物病原體。這些潛在的致病真菌可能在作物輪作過程中產(chǎn)生復(fù)合侵染或直接侵染，從而影響植物生長。

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3?關(guān)鍵微生物類群在黃瓜生長中的作用及功能

根際微生物，被稱為植物的第二基因組，對(duì)植物生長和健康至關(guān)重要，是探索根-土壤-微生物相互作用的重要研究主題。一些與植物根系密切相關(guān)的PGPRs可通過各種機(jī)制用于增強(qiáng)宿主植物的適應(yīng)性。Pearson相關(guān)性結(jié)果表明，14個(gè)細(xì)菌屬與3個(gè)生長階段的6個(gè)黃瓜農(nóng)藝性狀存在顯著相關(guān)性(圖5)。其中一些可以被視為PGPR，例如Serratia、Massilia等。Arachidicoccus相對(duì)豐度與黃瓜葉長、葉寬在結(jié)果后期呈正相關(guān)(P< 0.05)。在Madhaiyan等人的一項(xiàng)研究中，還發(fā)現(xiàn)Arachidicoccus可以促進(jìn)植物生長。一些STMs(Chujaibacter、Burkholderia和Dyella)也與黃瓜株高、節(jié)數(shù)、莖粗和葉長和葉寬顯著相關(guān)。因此，它們可能在黃瓜的生長中發(fā)揮重要作用。例如，據(jù)報(bào)道，在模式4中富集的Chujaibacter有利于去除NH4+-N，這可能是模式4中AN顯著降低的原因之一。

一些真菌屬還具有生物防治或植物生長促進(jìn)能力。Penicillium、Trichoderma和Ceratobasidium與黃瓜株高、葉長/寬、節(jié)數(shù)、莖粗、地上干重呈顯著相關(guān)。Ceratobasidium在EFR和HFR的模式6中顯著富集，Trichoderma在LFR1的模式1中顯著富集。Ceratobasidium和Trichoderma已被用作生物防治真菌，可有效控制由鐮刀菌引起的枯萎病。青霉菌和木霉菌是STMs。同時(shí)，許多真菌屬被認(rèn)為是植物病原體。鐮刀菌在中國無處不在，在許多植物中引起毀滅性的疾病，其次是Gibberella和Alternaria。其中，鐮刀菌和Alternaria是STMs，在模式3和6的非根際土壤中顯著富集(圖B.4b)。Gibberella與黃瓜株高、葉長/寬和節(jié)數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，且在模式6中顯著富集(圖6a，b)。

一些關(guān)鍵的微生物相關(guān)功能對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)健康至關(guān)重要，也可能影響黃瓜產(chǎn)量。Nitrospirota?(以前稱為Nitrospirae或Nitrospira)是一種被廣泛認(rèn)可的硝化細(xì)菌，在培養(yǎng)模式1中顯著富集(P?< 0.05)(圖B.2)。直到2015年才發(fā)現(xiàn)能夠完全硝化的細(xì)菌，并且都屬于Nitrospirota。Nitrospirota通過完全硝化或氨氧化產(chǎn)生的NO3-可直接為反硝化提供底物。硝酸鹽污染現(xiàn)在已成為一個(gè)全球性問題，因?yàn)橄跛猁}會(huì)污染地下水或留在土壤中。與反硝化相關(guān)的基因，包括與硝酸鹽還原、氮呼吸和硝酸鹽呼吸相關(guān)的基因，在模式1中顯著富集，其次是模式6(圖7a)，表明可能具有促進(jìn)反硝化的能力，這可能會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)氮循環(huán)。栽培模式1可能更有利于硝化和反硝化相關(guān)微生物的富集，從而促進(jìn)氮循環(huán)，進(jìn)而促進(jìn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)栽培。

本研究發(fā)現(xiàn)模式1的根際土壤中顯著富集了與異化砷酸鹽還原和砷酸鹽解毒相關(guān)的功能基因(圖B.5a)。砷(As)污染一直是一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問題。據(jù)報(bào)道，擬桿菌通過類金屬代謝降解或轉(zhuǎn)化As。模式1中與As代謝相關(guān)的功能基因(砷酸還原酶，arsC)和擬桿菌的豐度顯著更高(圖3a)，這表明模式1的根際微生物群可能比其他五種模式具有更強(qiáng)的As降解能力。植物對(duì)As的吸收與土壤中P/As的比例有關(guān)。本研究結(jié)果表明，6種模式下非根際土壤的P含量沒有差異(表1)，表明低As土壤可能促進(jìn)植物As濃度的降低。因此，模式1中具有更多As相關(guān)代謝功能的根際微生物群可能促進(jìn)黃瓜的生長，也可能有利于As損傷后根系和土壤的恢復(fù)。

與芳烴降解、烴降解、芳香族化合物降解相關(guān)的生態(tài)功能基因也在模式1的非根際土壤和模式6的根際土壤中富集(圖7a和B.5a)，表明這些土壤中可能存在更豐富的潛在烴類降解微生物(圖B.4a, c)。例如，Paraburkholderia、Pseudomonas、Stenotrophomonas等被報(bào)道為降解多環(huán)芳烴(PAHs)的潛在候選菌株，均富集于模式1的非根際土壤和模式6的根際土壤中。然而，目前對(duì)這些降解微生物的研究大多局限于菌株特征或基因組序列分析，尚未有系統(tǒng)報(bào)道其在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的作用。更加系統(tǒng)和全面的研究將有助于促進(jìn)微生物在農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中的應(yīng)用。

結(jié)論

在本研究中，不同栽培方式對(duì)土壤理化性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)有顯著影響，也改變了潛在微生物功能基因的豐度。根際土壤中某些微生物(Serratia、Arachidicoccus、Penicillium等)的存在與植物生長顯著相關(guān)，這些微生物的鑒定可為新生防菌株的開發(fā)和篩選提供指導(dǎo)。模式1(水旱輪作)顯著減緩了土壤酸化趨勢。與模式2(常規(guī)露天栽培)相比，隨著模式3(早春塑料棚覆蓋栽培)和模式4(塑料棚栽培)塑料棚利用率的增加，鹽漬化變得更加嚴(yán)重。模式1和6(大蒜輪作)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對(duì)豐度。病原微生物群(Nigrospora、Blumeria、Verticillium、Fusarium等)傾向于在模式2至6中富集。在微生物功能預(yù)測方面，微生物輔助的土壤氮循環(huán)和芳香族化合物降解似乎受栽培模式的顯著影響，在模式1和6中增強(qiáng)，參與砷酸鹽解毒的微生物功能也在模式1中顯著富集。這些結(jié)果表明，改變耕作模式可能為農(nóng)田中的元素循環(huán)利用和減少土壤污染提供一種手段。這些現(xiàn)象表明，通過調(diào)整栽培模式可以誘導(dǎo)健康的非根際和根際土壤環(huán)境。水旱輪作和大蒜輪作模式塑造了健康的土壤環(huán)境，可能更有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

問題回答

①在結(jié)論的三個(gè)部分中，分別選用的什么土壤（根際土/非根際土）作為實(shí)驗(yàn)材料？

分析土壤中微生物的各多樣性指數(shù)、土壤環(huán)境因子與土壤中細(xì)菌/真菌群落的相關(guān)性、栽培模式導(dǎo)致微生物生態(tài)功能發(fā)生變化時(shí)，僅使用非根際土；分析根際微生物對(duì)植物生長發(fā)育影響時(shí)，僅使用根際土；其余的數(shù)據(jù)分析同時(shí)使用根際土與分根際土。

②實(shí)驗(yàn)的變量中，哪些是預(yù)測變量，哪些是響應(yīng)變量，與響應(yīng)變量對(duì)應(yīng)的具體數(shù)值是什么？

主要預(yù)測變量：不同的栽培模式

其他預(yù)測變量：植物的三個(gè)生長階段，根際土/非根際土，細(xì)菌/真菌...

響應(yīng)變量：

微生物多樣性——Chao1多樣性指數(shù)、Observed-species多樣性指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)、相對(duì)豐度；

微生物的結(jié)構(gòu)——Bray–Curtis距離

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016706122005444

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看到這里記得三連哦????????????