中国农业科学 ›› 2024, Vol. 57 ›› Issue (3): 555-569.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2024.03.010
收稿日期:
2023-06-29
接受日期:
2023-09-04
出版日期:
2024-02-01
发布日期:
2024-02-05
通信作者:
联系方式:
王清慧,E-mail:2806996388@qq.com。
基金资助:
WANG QingHui(), LI NaiHui, ZHANG YiPing, DI ChengQian, WU FengZhi(
)
Received:
2023-06-29
Accepted:
2023-09-04
Published:
2024-02-01
Online:
2024-02-05
摘要:
【目的】明确小麦和豌豆填闲对白菜幼苗生长和土壤微生物群落结构的影响,为麦、豆填闲减轻十字花科蔬菜的连作障碍提供理论依据和技术支撑。【方法】分别以白菜和白菜连作土为供试材料和供试土壤,设置小麦填闲(W)、箭筈豌豆填闲(P)及小麦和豌豆混合填闲(WP)3个填闲处理,以不填闲作物为对照(CK),分析不同填闲处理对白菜幼苗生长的影响,并利用实时荧光定量PCR(qPCR)和Illumina MiSeq技术,探究小麦和豌豆填闲对白菜根际土壤微生物群落的影响,通过Spearman相关性分析,找出与白菜幼苗生长相关的关键微生物类群,再通过环境因子关联性分析,探明土壤化学性质的变化对土壤微生物群落结构的影响。【结果】与对照相比,3种填闲处理均促进了白菜的生长,降低了土壤EC值,混合填闲处理显著降低了土壤速效钾含量,小麦填闲处理提高了土壤pH。qPCR结果表明,填闲处理对土壤总细菌丰度没有产生显著影响,但显著增加了土壤总真菌的丰度,豌豆填闲处理及小麦和豌豆混合填闲处理显著降低了芽孢杆菌和假单胞菌的丰度。Illumina MiSeq结果发现,在属水平上,填闲处理均显著增加了TM7a的相对丰度,但降低了Leptolyngbya_EcFYyyy-00、瓶毛壳属(Lophotrichus)、无茎真菌属(Acaulium)、Sodiomyces的相对丰度;小麦和豌豆混合填闲处理显著增加了鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)和马赛菌属(Massilia)的相对丰度,显著降低了镰刀菌属(Fusarium)的相对丰度。基于Spearman的相关性分析表明,鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、TM7a、马赛菌属(Massilia)和芽单胞菌属(Gemmatimonas)与白菜生长呈显著正相关,Leptolyngbya_EcFYyyy-00、无茎真菌属(Acaulium)、瓶毛壳属(Lophotrichus)、Sodiomyces和镰刀菌属(Fusarium)与白菜生长呈显著负相关。填闲也改变了细菌和真菌的多样性指数,豌豆填闲处理降低了土壤细菌香农指数和逆辛普森指数,降低了真菌香农指数,增加了逆辛普森指数;小麦填闲处理和混合填闲处理增加了真菌香农指数,降低了逆辛普森指数。PCoA分析表明土壤微生物群落结构差异显著。土壤EC值是显著影响土壤微生物群落结构的土壤环境因子。【结论】填闲处理均能促进白菜幼苗生长,其中以小麦和豌豆混合填闲对白菜幼苗的促生效果最好。填闲处理增加了潜在促生菌鞘氨醇单胞菌属、TM7a、马赛菌等属的相对丰度,混合填闲处理显著降低了Leptolyngbya_EcFYyyy-00和镰刀菌属的相对丰度,增加了潜在生防菌毛壳菌的相对丰度。
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表1
qPCR反应体系和程序"
菌名 Bacterium name | 引物 Primer | qPCR反应体系 qPCR reaction system (20 μL) | qPCR反应程序 qPCR reaction procedure |
---|---|---|---|
细菌 Bacteria | 338F/518R[ | 9 μL 2×SYBR Green,0.4 μL引物,2 μL样品DNA,8.6 μL ddH2O 9 μL 2×SYBR Green, 0.4 μL primer, 2 μL sample DNA, 8.6 μL ddH2O | 95 ℃预变性5 min,95 ℃变性50 s,62 ℃退火30 s,72 ℃延伸1 min,72 ℃终延伸10 min,30个循环 Pre-denaturation at 95 ℃ for 5 min, denaturation at 95 ℃ for 50 s, annealing at 62 ℃ for 30 s, extension at 72 ℃ for 1 min, final extension at 72 ℃ for 10 min, 30 cycles |
真菌 Fungus | ITS1F/ITS4F[ | 10 μL 2×SYBR Green,1 μL引物,1 μL样品DNA,8 μL ddH2O 10 μL 2×SYBR Green, 1 μL primer, 2 μL sample DNA, 8 μL ddH2O | 94 ℃预变性3 min,94℃变性5 s,58 ℃退火20 s,72 ℃延伸20 s,72 ℃终延伸10 min,43个循环 Pre-denaturation at 94 ℃ for 3 min, denaturation at 94 ℃ for 5 s, annealing at 58 ℃ for 20 s, extension at 72 ℃ for 20 s, final extension at 72 ℃ for 10 min, 43 cycles |
芽孢杆菌 Bacillus spp. | BacF/BacR[ | 9 μL 2×SYBR Green, 0.6 μL引物,2 μL样品DNA,8.4 μL ddH2O 9 μL 2×SYBR Green, 0.6 μL primer, 2 μL sample DNA, 8.4 μL ddH2O | 95 ℃预变性3 min,95 ℃变性10 s,50 ℃退火30 s,72 ℃延伸32 s,72℃终延伸10 min,40个循环 Pre-denaturation at 95 ℃ for 3 min, denaturation at 95 ℃ for 10 s, annealing at 50 ℃ for 30 s, extension at 72 ℃ for 32 s, final extension at 72 ℃ for 10 min, 40 cycles |
假单胞菌 Pseudomonas spp. | PsF/PsR[ | 10 μL 2×SYBR Green,2 μL引物,2 μL样品DNA,6 μL ddH2O 10 μL 2×SYBR Green, 2 μL primer, 2 μL sample DNA, 6 μL ddH2O | 95 ℃预变性10 min,95 ℃变性10 s,50 ℃退火30 s,72℃延伸32 s,72 ℃终延伸10 min,35个循环 Pre-denaturation at 95 ℃ for 10 min, denaturation at 95 ℃ for 10 s, annealing at 50 ℃ for 30 s, extension at 72 ℃ for 32 s, final extension at 72 ℃ for 10 min, 35 cycles |
表2
小麦和豌豆填闲对白菜土壤化学性质的影响"
处理 Treatment | EC值 EC Value (mS·cm-1) | pH | 速效磷 Available P (mg·kg-1) | 速效钾 Available K (mg·kg-1) | 有机碳 Organic carbon (g·kg-1) | 全碳 Total C (g·kg-1) | 全氮 Total N (g·kg-1) |
---|---|---|---|---|---|---|---|
对照CK | 0.44±0.01a | 7.04±0.10b | 120.81±2.28a | 308.15±16.03a | 19.67±0.90a | 20.29±0.86a | 2.46±0.16a |
小麦W | 0.34±0.01b | 7.15±0.01a | 120.44±2.86a | 283.63±17.15ab | 20.47±1.18a | 21.96±1.80a | 2.50±0.18a |
箭筈豌豆P | 0.36±0.02b | 7.13±0.02ab | 121.34±2.01a | 273.13±6.52ab | 19.46±0.10a | 22.13±1.21a | 2.50±0.10a |
小麦+箭筈豌豆WP | 0.35±0.03b | 7.05±0.01ab | 119.12±1.98a | 247.52±35.40b | 18.87±0.96a | 20.12±1.87a | 2.40±0.10a |
表3
小麦和豌豆填闲对相对丰度前20个细菌属的影响"
属 Genus | CK | W | P | WP |
---|---|---|---|---|
鞘氨醇单胞菌属Sphingomonas | 4.386±0.474c | 5.192±0.205bc | 7.292±1.884a | 6.771±0.431ab |
芽孢杆菌属Bacillus | 2.784±0.403b | 4.130±0.110a | 3.964±0.640a | 3.511±0.332ab |
RB41 | 3.840±0.425a | 3.258±0.051a | 2.895±1.601a | 2.711±0.631a |
芽单胞菌属Gemmatimonas | 1.508±0.154b | 1.750±0.123ab | 2.043±0.419a | 1.927±0.108ab |
TM7a | 0.574±0.023c | 0.917±0.098b | 1.220±0.084a | 1.104±0.122a |
Skermanella | 0.927±0.109b | 1.394±0.210a | 1.205±0.310ab | 1.140±0.072ab |
Leptolyngbya_EcFYyyy-00 | 3.117±0.311a | 2.282±0.006b | 0.805±0.487c | 1.222±0.454c |
Gaiella | 0.727±0.088b | 0.843±0.037ab | 1.030±0.239a | 0.833±0.079ab |
Bryobacter | 0.755±0.078c | 1.046±0.093a | 0.893±0.053bc | 0.966±0.068ab |
溶杆菌属Lysobacter | 0.763±0.031b | 0.795±0.062ab | 0.869±0.226ab | 1.051±0.126a |
嗜盐囊菌属Haliangium | 0.789±0.110ab | 0.675±0.063b | 0.901±0.152a | 0.883±0.049a |
慢生根瘤菌属Bradyrhizobium | 0.607±0.083b | 0.741±0.071ab | 0.832±0.185ab | 0.883±0.145a |
马赛菌属Massilia | 0.518±0.049c | 0.611±0.019bc | 1.163±0.280a | 0.818±0.099b |
芽球菌属Blastococcus | 0.591±0.089b | 0.746±0.136ab | 0.914±0.175a | 0.755±0.156ab |
Ellin6055 | 0.648±0.054a | 0.717±0.073a | 0.845±0.210a | 0.724±0.085a |
Flavisolibacter | 0.716±0.143a | 0.846±0.064a | 0.859±0.195a | 0.939±0.100a |
酸杆菌属Acidibacter | 0.604±0.106a | 0.717±0.015a | 0.654±0.196a | 0.699±0.215a |
嗜酸菌属Acidovorax | 0.948±0.086bc | 1.104±0.042ab | 0.813±0.151c | 1.173±0.083a |
Ellin6067 | 0.596±0.059a | 0.651±0.110a | 0.713±0.153a | 0.683±0.109a |
Actinoplanes | 0.506±0.070a | 0.543±0.019a | 0.661±0.141a | 0.593±0.029a |
表4
小麦和豌豆填闲对相对丰度前20个真菌属的影响"
属Genus | CK | W | P | WP |
---|---|---|---|---|
油壶菌属Olpidium | 17.448±3.632a | 6.158±0.361b | 19.032±0.892a | 5.131±0.661b |
腐质霉属Humicola | 11.457±0.907a | 9.157±0.101c | 9.518±0.727bc | 10.678±0.565ab |
被孢霉属Mortierella | 1.950±0.299c | 12.448±0.413a | 8.334±1.222b | 9.261±0.986b |
镰刀菌属Fusarium | 8.535±0.668a | 8.470±0.345a | 6.131±0.345b | 6.757±0.336b |
光黑壳属Preussia | 5.504±0.511a | 4.029±0.026bc | 3.246±0.064c | 4.195±0.745b |
枝鼻菌属Cladorrhinum | 5.288±0.186a | 3.379±0.121b | 5.057±0.459a | 5.361±0.202a |
瓶毛壳属Lophotrichus | 4.342±0.203a | 3.070±0.172b | 2.502±0.099c | 2.576±0.321c |
赤霉属Gibberella | 0.155±0.031d | 4.494±0.175a | 0.821±0.068c | 2.390±0.140b |
被毛枝葡萄孢属Botryotrichum | 0.734±0.031d | 3.664±0.157a | 1.422±0.136c | 2.590±0.192b |
Plectosphaerella | 0.247±0.031c | 7.769±0.149a | 1.512±0.098b | 0.388±0.058c |
酵母属Remersonia | 1.772±0.222a | 0.849±0.109c | 1.546±0.132ab | 1.387±0.153b |
毛壳菌属Chaetomium | 0.822±0.126b | 0.538±0.092b | 0.729±0.046b | 2.581±0.463a |
闭小囊菌属Kernia | 0.869±0.087ab | 0.741±0.142bc | 1.015±0.089ab | 0.667±0.037c |
无茎真菌属Acaulium | 1.127±0.115a | 0.792±0.054b | 0.754±0.088b | 0.639±0.064b |
产油菌属Solicoccozyma | 0.675±0.063ab | 0.760±0.081a | 0.626±0.065b | 0.670±0.013ab |
Sodiomyces | 0.890±0.095a | 0.549±0.055bc | 0.666±0.118b | 0.475±0.048c |
曲霉属Aspergillus | 0.626±0.123a | 0.398±0.048b | 0.458±0.066bc | 0.577±0.052ab |
枝顶孢属Acremonium | 0.786±0.027a | 0.193±0.032c | 0.128±0.023d | 0.297±0.047b |
Tausonia | 0.274±0.034bc | 0.846±0.199a | 0.331±0.088b | 0.090±0.026c |
头束霉属Cephalotrichum | 0.216±0.061bc | 1.008±0.186a | 0.102±0.033c | 0.323±0.028b |
表5
生长和微生物基于Spearman的相关性分析"
细菌Bacteria | r | 真菌Fungi | r | |
---|---|---|---|---|
鞘氨醇单胞菌属Sphingomonas | 0.818** | 无茎真菌属Acaulium | -0.867*** | |
Leptolyngbya_EcFYyyy-00 | -0.79** | 瓶毛壳属Lophotrichus | -0.811** | |
TM7a | 0.769** | Sodiomyces | -0.741** | |
马赛菌属Massilia | 0.762** | 镰刀菌属Fusarium | -0.706* | |
芽单胞菌属Gemmatimonas | 0.706* | 油壶菌属Olpidium | -0.552 | |
溶杆菌属Lysobacter | 0.622* | 光黑壳属Preussia | -0.503 | |
慢生根瘤菌属Bradyrhizobium | 0.613* | 毛壳菌属Chaetomium | 0.441 | |
嗜盐囊菌属Haliangium | 0.559 | Tausonia | -0.441 | |
Actinoplanes | 0.553 | 被毛枝葡萄孢属Botryotrichum | 0.434 | |
芽球菌属Blastococcus | 0.483 | 赤霉属Gibberella | 0.378 | |
RB41 | -0.483 | 枝顶孢属Acremonium | -0.357 | |
Flavisolibacter | 0.445 | 被孢霉属Mortierella | 0.343 | |
Bryobacter | 0.434 | 酵母属Remersonia | -0.252 | |
Ellin6055 | 0.378 | 枝鼻菌属Cladorrhinum | 0.224 | |
Gaiella | 0.371 | 腐质霉属Humicola | -0.196 | |
嗜酸菌属Acidovorax | 0.336 | Plectosphaerella | 0.182 | |
Ellin6067 | 0.336 | 产油菌属Solicoccozyma | -0.154 | |
Skermanella | 0.231 | 闭小囊菌属Kernia | -0.147 | |
芽孢杆菌属Bacillus | 0.196 | 曲霉属Aspergillus | 0.042 | |
酸杆菌属Acidibacter | 0.032 | 头束霉属Cephalotrichum | 0.021 |
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