曾莉莎, 林威鵬, 呂 順, 王 芳, 夏 玲, 劉文清, 伍朝榮, 周建坤, 杜彩嫻, 蔡昆爭, 劉建平

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香蕉-甘蔗輪作模式防控香蕉枯萎病的持續(xù)效果與土壤微生態(tài)機理(Ⅰ)*

曾莉莎1?, 林威鵬1,2,3?, 呂 順1**, 王 芳1, 夏 玲1, 劉文清1, 伍朝榮2, 周建坤1, 杜彩嫻1, 蔡昆爭2, 劉建平1

(1. 東莞市香蕉蔬菜研究所 東莞 523061; 2. 華南農業(yè)大學資源環(huán)境學院 廣州 510642; 3. 廣東省農業(yè)科學院茶葉研究所 廣州 510642)

近年來, 珠三角部分蕉農采用香蕉和甘蔗輪作防控香蕉枯萎病, 并取得一定成效, 我國古籍《廣東新語》也有香蕉-甘蔗輪作的記載, 但是關于該輪作模式的作用、效果及控病機理尚不明確。本文研究了連作香蕉地輪作不同年限甘蔗對香蕉枯萎病的控制作用, 并從土壤微生態(tài)角度探討其作用機理。試驗設置4個處理: 連作香蕉11年(CK)、香蕉連作地—甘蔗1年—香蕉1年(GZ1)、香蕉連作地—甘蔗2年—香蕉1年(GZ2)和香蕉連作地—甘蔗3年—香蕉1年(GZ3)。研究輪作甘蔗不同年限對后茬香蕉枯萎病發(fā)病率的影響, 同時通過測定土壤可培養(yǎng)微生物數量, 并利用高通量測序技術分析土壤微生物結構, 揭示輪作甘蔗影響后茬香蕉枯萎病發(fā)生的土壤微生態(tài)機制。結果表明, 連作蕉地香蕉枯萎病發(fā)病率為49.15%, 而輪作甘蔗1年后茬香蕉枯萎病發(fā)病率降至17.86%, 輪作2年和3年甘蔗后茬香蕉枯萎病發(fā)病率僅為1.79%。土壤可培養(yǎng)細菌總數隨著輪作甘蔗年限的增加而顯著增加, 可培養(yǎng)放線菌總數和尖孢鐮刀菌則呈逐漸減少的趨勢, 真菌總數無顯著變化。土壤細菌多樣性指數隨輪作甘蔗年限的增加而降低。假單胞菌目(Pseudomonadales)、浮霉菌目(Planctomycetales)、酸微菌目(Acidimicrobiales)和土壤紅桿菌目(Solirubrobacterales)的細菌豐度呈隨甘蔗種植年限增加而逐年增加的趨勢, 并與香蕉枯萎病發(fā)病率呈顯著負相關關系。酸桿菌目(Acidobacteriales)、紅螺菌目(Rhodospirillales)和軍團菌目(Legionellales)的細菌豐度則呈隨甘蔗種植年限逐年降低趨勢, 并與香蕉枯萎病發(fā)病率呈顯著正相關。連作香蕉地輪作甘蔗, 能夠顯著降低后茬香蕉枯萎病的發(fā)病率, 并且隨著甘蔗輪作時間年限的增加, 發(fā)病率逐年降低。輪作甘蔗通過改變土壤微生物群落結構而間接影響尖孢鐮刀菌的生存環(huán)境, 從而降低香蕉枯萎病發(fā)病率, 輪作2年甘蔗, 即可達到顯著控病效果。此結果與《廣東新語》中關于香蕉-甘蔗輪作年限的記載一致。

香蕉連作; 香蕉-甘蔗輪作; 香蕉枯萎病; 尖孢鐮刀菌; 土壤微生物

香蕉枯萎病是由尖孢鐮刀菌古巴?；蚚f. sp.(FOC)]侵染所引起的維管束類疾病, 是危害世界香蕉(spp.)種植的嚴重病害。該病害傳播途徑廣泛, 可通過水、土壤、種苗等介質傳播, 香蕉枯萎病疫情所到之處, 蕉園盡毀, 造成巨大經濟損失。由于氣候條件的限制, 我國可種植香蕉的耕地面積原本就小, 若再不采取有效的防治措施, 我國香蕉產業(yè)將面臨嚴峻危機。在面臨枯萎病危害的同時, 我國的香蕉存在超長時間連作的問題, 部分蕉地連作時間長達20年, 造成土壤微生物環(huán)境的失衡與惡化, 主要體現(xiàn)在有益微生物的種類和數量減少、有害生物增多等連作障礙, 最終導致香蕉生長緩慢, 生育期延長, 產量降低。輪作、間作等種植模式是我國傳統(tǒng)農業(yè)的精華, 對持續(xù)控制枯萎病等土傳病害和克服連作障礙有顯著的作用。大量試驗證明, 輪作可以協(xié)調不同作物之間養(yǎng)分吸收的局限性, 增加土壤中養(yǎng)分的有效性[1-2], 改善根圍微生物群落結構[3-4], 減少土傳病蟲害的發(fā)生[5-6]。目前, 部分學者開展了輪作對緩解香蕉枯萎病的研究。香蕉與水稻()[7]、木薯()[8]、玉米()[5]、菠蘿()[5]、韭菜()[9]輪作, 均能不同程度降低后茬香蕉枯萎病發(fā)病率, 其中尤以韭菜輪作效果最佳, 后茬發(fā)病率僅為2%, 而其他輪作模式后茬香蕉枯萎病的發(fā)病率介于20%~40%。以上模式除了韭菜-香蕉模式效果最好, 其他模式效果一般, 但是, 韭菜市場需求量較小, 栽培模式與香蕉差異大, 香蕉與韭菜輪作模式難以滿足香蕉連片大規(guī)模生產, 阻礙其大面積推廣。我們在清代屈大均所著文獻《廣東新語》草語篇中(成書于康熙17年左右)找到有關香蕉與甘蔗()輪作的記載[10]?！霸龀侵髦? 人多種蕉, 種至三四年, 即盡伐以種白蔗。白蔗得種蕉地, 益繁盛甜美, 而白蔗種至二年, 又復種蕉”。文中記載的香蕉與甘蔗輪作模式, 為種植香蕉3~4年后再輪作甘蔗2年再復種香蕉, 周而復始。但是文中并沒有描述該模式在病害防控方面的作用。甘蔗是中國九大優(yōu)勢作物之一, 也是華南地區(qū)大面積種植的農作物之一, 種植技術簡單, 種植效益好。近年, 珠三角地區(qū)部分農戶采用香蕉和甘蔗輪作來防控香蕉枯萎病取得了一定的成效, 但是香蕉甘蔗輪作技術及控制病害的原理并不明確。我們企圖再現(xiàn)古人的模式, 研究香蕉-甘蔗輪作對香蕉生長及枯萎病的控制效果, 并通過測定土壤可培養(yǎng)微生物, 以及利用高通量測序技術研究輪作甘蔗后土壤微生物群落結構的變化, 探明香蕉-甘蔗輪作模式影響后茬香蕉枯萎病發(fā)病率的可能機制。從古文獻中尋找古代農業(yè)文化遺產的精華, 并將其應用于現(xiàn)代農業(yè), 可為建立合理的香蕉輪作體系提供科學的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗地位于廣東省東莞市沙田鎮(zhèn)中圍村, 地處東莞市西南部和珠江三角洲的幾何中心地帶, 光照充足, 熱量豐富, 氣候溫暖, 溫度變幅小, 雨量充沛。多年平均降水量為1 802.5 mm, 年平均氣溫22.2 ℃, 年日照時數1 959.5 h。試驗開始于2003年, 試驗田塊為同一農戶耕種、平坦的同一幅多年連作的香蕉地, 該田塊2003年個別植株出現(xiàn)香蕉枯萎病, 至2007年枯萎病發(fā)病率達80%以上, 2008年開始改種中抗病品種‘農科1號’香蕉, 當年‘農科1號’枯萎病發(fā)病率達30%以上。供試土壤為輕黏壤土, 土層深厚、土質疏松、有機質豐富。起始時土壤耕層含有機質12.30 g?kg-1、全氮164.9 mg?kg-1、堿解氮29.1 mg?kg-1、有效磷213.0 mg?kg-1、速效鉀256 mg?kg-1, pH=5.2。

試驗設4個處理: 連作香蕉11年(CK)、香蕉連作地—甘蔗1年—香蕉1年(GZ1)、香蕉連作地—甘蔗2年—香蕉1年(GZ2)、香蕉連作地—甘蔗3年—香蕉1年(GZ3)。輪作甘蔗不同年限后(2013年10月14日)統(tǒng)一采集土壤樣本, 用于可培養(yǎng)微生物及土壤微生物群落的測定; 輪作甘蔗后回種香蕉第1年調查香蕉的長勢、產量及枯萎病發(fā)病率。每個處理3個重復, 隨機區(qū)組排列, 每個處理小區(qū)長50 m, 寬5.0 m, 面積250 m2, 小區(qū)之間由畦溝分隔開。

種植的香蕉品種為‘農科1號’, 采用高畦深溝、雙行種植的栽培方式。每公頃種植1 650株, 行距為2.60 m, 株距為2.40 m; 畦面寬4.5 m, 畦間溝寬0.5 m、深0.7 m。每年4月定植香蕉二級苗, 翌年3月收獲, 采用常規(guī)方法進行種植管理。種植的甘蔗品種為‘廣東黃皮果蔗’, 每米植蔗溝約種12個芽, 有效莖約75 000條?hm-2。種莖以品字形或雙軌窄幅排放, 兩行種莖之間距離10 cm左右, 種莖與土壤緊貼, 芽排向兩側。種前施足基肥, 采用常規(guī)方法進行種植管理, 每年2—3月種植, 當年11月開始采收。

1.2 土壤樣品的采集

定位試驗11年, 統(tǒng)一于2013年10月14日(此時大部分蕉株處于孕蕾期), 在香蕉及甘蔗地采集土壤樣品。于試驗地每個小區(qū)內采用5點取樣法取樣, 去掉0~5 cm的表土, 采距植株30~40 cm的根圍土壤, 深約20 cm, 每個處理采集3個重復小區(qū)共15個土壤樣品, 將所采每個處理的土樣混勻后分成 2份, 一份于-20 ℃冷凍保存用于土壤DNA提取, 一份用于測定土壤中可培養(yǎng)微生物數量。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 發(fā)病率及相對防效

于香蕉收獲期調查不同處理香蕉枯萎病的發(fā)病率, 及對照連作香蕉地(CK處理)枯萎病的發(fā)病率, 計算相對防效。

枯萎病發(fā)病率(%)=發(fā)病植株數×100/供試植株總數 (1)

相對防效(%)=(對照的發(fā)病率-處理的發(fā)病率)×100/對照的發(fā)病率 (2)

1.3.2 植株性狀

2014年11月3日, 香蕉抽蕾期調查香蕉株高、莖粗、葉面積、單株產量等性狀, 測定株高、莖粗、葉片長度與寬度。葉面積采用估測法測量, 單葉面積估測公式為:

=0.8××(3)

式中:為葉片面積,為葉長,為葉寬。單株產量用果穗質量表示, 將果軸兩端沿果梳基部截平, 稱取整穗果的質量。

1.3.3 可培養(yǎng)微生物

土壤微生物的測定參照林先貴[11]方法, 用平板培養(yǎng)法測定土壤中的微生物數量。細菌測定用牛肉汁蛋白胨瓊脂, 真菌用馬丁氏瓊脂, 放線菌用高氏1號瓊脂, 尖孢鐮刀菌采用Komada改良培養(yǎng)基[12-13]。

1.4 土壤細菌群落結構的檢測方法及測序流程

1.4.1 土壤DNA的提取

稱取0.5 g新鮮根圍土, 使用FastDNA SPIN土壤DNA提取試劑盒(MP Biomedical, USA), 按照說明進行提取。使用微量分光光度計(Nanodrop 1000, Thermo Scientific, USA)測定DNA濃度, 并用超純水稀釋至10 ng?μL-1待用。

1.4.2 基因擴增與純化

選用引物27F(5￠-AGAGTTTGATCCTGGCTCA-G-3￠)和533R(5￠-TTACCGCGGCTGCT-GGCAC-3￠)[14]對原核生物16s片段的V1-V3片區(qū)進行擴增。用2%瓊脂糖對PCR產物進行電泳檢測, 使用AMPure Beads膠回收試劑盒對PCR產物進行回收, 建庫, 質檢合格的文庫用Roche 454 FLX+系統(tǒng)進行測序。

1.4.3 結果分析

對測序得到的原始數據進行拼接、過濾, 得到有效序列和優(yōu)質序列。基于優(yōu)質序列進行OTUs(operational taxonomic units)聚類和物種分類分析, 并將OTUs和物種注釋結合, 從而得到每個樣品的OTUs和分類譜系的基本分析結果。再對OTUs進行豐度、多樣性指數等分析, 同時對物種注釋在各個分類水平上進行群落結構的統(tǒng)計分析。由上海派森諾生物科技有限公司完成測序及初步分析, 由廣州基迪奧生物科技有限公司完成進一步分析。

1.5 數據分析

采用Microsoft Excel 2016進行數據的整理, 使用SPSS 21.0進行數據的統(tǒng)計分析, 統(tǒng)計前對數據進行正態(tài)性檢驗和組件方差齊性檢驗, 如果無法滿足以上兩個條件, 則對數據進行l(wèi)og10轉化, 然后對數據進行方差分析(one-way ANOVA), 采用最小顯著極差法(LSD法)進行數據的多重比較。

2 結果與分析

2.1 蕉地輪作不同年限甘蔗對后茬香蕉枯萎病發(fā)病率的影響

輪作甘蔗1、2、3年后, 重新種植‘農科1號’香蕉品種, 各處理香蕉枯萎病發(fā)病率如圖1所示。GZ1(17.86%)、GZ2(1.79%)及GZ3(1.79%)處理與CK(49.15%)相比發(fā)病率差異均達顯著水平, 其中, GZ1與其他處理的枯萎病發(fā)病率差異顯著, GZ2處理與GZ3處理差異不顯著。GZ1處理相比于CK, 相對防效達63.66%; GZ2及GZ3處理防控率一致, 相對防效大于95%, 表明香蕉輪作甘蔗2年后回種香蕉, 即可使香蕉枯萎病發(fā)病率明顯降低。

圖1 與甘蔗輪作不同年限后香蕉田香蕉枯萎病發(fā)病率與相對防效

CK: 連作香蕉11年; GZ1: 香蕉連作地—甘蔗1年—香蕉1年; GZ2: 香蕉連作地—甘蔗2年—香蕉1年; GZ3: 香蕉連作地—甘蔗3年—香蕉1年。不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。CK: continuous cropping bananas for 11 years; GZ1: bananas monocropping – 1 year of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting; GZ2: bananas monocropping – 2 years of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting; GZ3: bananas monocropping – 3 years of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

2.2 蕉地輪作不同年限甘蔗對后茬香蕉生長的影響

輪作甘蔗后茬香蕉生長旺盛, 香蕉株高、莖粗及葉面積隨著與甘蔗輪作年限的增加而提高, 其中后茬香蕉葉面積顯著高于連作香蕉(CK)(表1); 在香蕉采收時, 對不同處理的地塊進行測產, 結果表明: 香蕉與甘蔗輪作后的蕉地, 相對于連作蕉地(CK), 香蕉的平均單株產量提高18.9%~35.1%, 表明輪作甘蔗后對下茬香蕉的長勢和產量具有明顯的促進作用, 并且以輪作2年以上更為明顯。

表1 與甘蔗輪作不同年限后香蕉的長勢及產量

CK: 連作香蕉11年; GZ1: 香蕉連作地—甘蔗1年—香蕉1年; GZ2: 香蕉連作地—甘蔗2年—香蕉1年; GZ3: 香蕉連作地—甘蔗3年—香蕉1年。不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。CK: continuous cropping bananas for 11 years; GZ1: bananas monocropping – 1 year of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting; GZ2: bananas monocropping – 2 years of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting; GZ3: bananas monocropping – 3 years of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

2.3 蕉地輪作不同年限甘蔗對土壤可培養(yǎng)微生物的影響

連作香蕉地輪作不同年限甘蔗, 土壤可培養(yǎng)微生物變化情況如圖2所示。結果表明: 隨著甘蔗輪作年數增加, 土壤細菌數量逐年增加, 放線菌和尖孢鐮刀菌數量逐漸減少, 真菌數量無顯著變化。其中土壤細菌和放線菌的數量輪作甘蔗2年后才達到顯著變化; 土壤尖孢鐮刀菌的數量變化對輪作甘蔗反應較敏感, 輪作1年即明顯降低, 但輪作2年后不再明顯降低。

圖2 與甘蔗輪作不同年限后香蕉田土壤可培養(yǎng)微生物數量

CK: 連作香蕉11年; GZ1: 香蕉連作地—甘蔗1年—香蕉1年; GZ2: 香蕉連作地—甘蔗2年—香蕉1年; GZ3: 香蕉連作地—甘蔗3年—香蕉1年。不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。CK: continuous cropping bananas for 11 years; GZ1: bananas monocropping – 1 year of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting; GZ2: bananas monocropping – 2 years of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting; GZ3: bananas monocropping – 3 years of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

2.4 蕉地輪作不同年限甘蔗對土壤微生物群落結構的影響

2.4.1 微生物多樣性指數

連作香蕉地輪作不同年限甘蔗, 土壤微生物多樣性指數如表2所示。土壤原核微生物群落豐度指數(Chao 1、ACE)隨甘蔗種植年數的增加而顯著降低,群落多樣性Shannon指數也隨甘蔗種植年數的增加而顯著降低。結果表明, 甘蔗種植的時間越長, 土壤原核微生物群落的豐度和多樣性越低。

表2 與甘蔗輪作不同年限后香蕉田土壤細菌群落α-多樣性指數

CK: 連作香蕉11年; GZ1: 香蕉連作地—甘蔗1年—香蕉1年; GZ2: 香蕉連作地—甘蔗2年—香蕉1年; GZ3: 香蕉連作地—甘蔗3年—香蕉1年。不同小寫字母表示處理間差異顯著(<0.05)。CK: continuous cropping bananas for 11 years; GZ1: bananas monocropping – 1 year of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting; GZ2: bananas monocropping – 2 years of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting; GZ3: bananas monocropping – 3 years of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments at 0.05 level.

2.4.2 樣品間OTU聚類

根據OTU豐富度熱圖, CK與GZ1聚為一類, 而GZ2與GZ3聚為一類(圖3), 表明香蕉田輪作甘蔗2年后土壤原核微生物總體上發(fā)生了較大變化。根據OUT的變化情況, 主要有兩種具有明顯變化趨勢的類群, 一類OUT的豐度隨著甘蔗種植年數的增加而增加(組1), 另外一類OTU豐度隨輪作甘蔗種植年限逐年較少的趨勢(組2)。該結果表明, 土壤中存在特定的微生物會隨甘蔗種植年數的增加而呈逐年遞增或者遞減的趨勢。這些微生物的變化可能與枯萎病的發(fā)病率相關。

2.4.3 物種分類表達譜

物種分類表達譜表明(圖4), 在本研究的4種土壤中, 微生物的優(yōu)勢門是變形菌門(Proteobacteria, 28.20%)、酸桿菌門(Acidobacteria, 24.93%)和綠彎菌門(Chloroflexi, 14.37%), 這3個門的微生物占比高達67%。以上各門微生物向下注釋, 優(yōu)勢目分別為酸桿菌目(Acidobacteriales, 4.27%)、黃單胞菌目(Xanthomonadales, 9.12%)、假單胞菌目(Pseudomonadales, 6.05%)、紅螺菌目(Rhodospirillales, 6.74%)、纖線桿菌目(Ktedonobacterales, 4.94%)和Thermogemmatisporales(4.23%), 這些優(yōu)勢目細菌占比達35%。

圖3 與甘蔗輪作不同年限后香蕉田土壤16s rDNA(細菌OTUs)豐富度熱圖

CK: 連作香蕉11年; GZ1: 香蕉連作地—甘蔗1年—香蕉1年; GZ2: 香蕉連作地—甘蔗2年—香蕉1年; GZ3: 香蕉連作地—甘蔗3年—香蕉1年。紅色表示微生物豐度上調, 藍色表示微生物豐度下調。CK: continuous cropping bananas for 11 years; GZ1: bananas monocropping – 1 year of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting; GZ2: bananas monocropping – 2 years of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting; GZ3: bananas monocropping – 3 years of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting. Red means microbial abundance increased, blue means microbial abundance decreased.

圖4 與甘蔗輪作不同年限后香蕉田土壤16s rDNA(細菌OTUs)表達譜

CK: 連作香蕉11年; GZ1: 香蕉連作地—甘蔗1年—香蕉1年; GZ2: 香蕉連作地—甘蔗2年—香蕉1年; GZ3: 香蕉連作地—甘蔗3年—香蕉1年。CK: continuous cropping bananas for 11 years; GZ1: bananas monocropping – 1 year of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting; GZ2: bananas monocropping – 2 years of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting; GZ3: bananas monocropping – 3 years of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting.

2.4.4 優(yōu)勢微生物的比較

在目水平上, 不同處理間優(yōu)勢細菌主要呈現(xiàn)3種變化趨勢(圖5)。第1類, 沒有呈現(xiàn)明顯規(guī)律(圖5左側黑色線段標記); 第2類, 隨甘蔗種植年數逐年減少(圖5左側紅色線段標記); 第3類, 隨著甘蔗種植年數逐年增加(圖5左側藍色線段標記)。從圖5可知, 根瘤菌目(Rhizobiales)、酸桿菌目、軍團菌目(Legionellales)和紅螺菌目豐度隨甘蔗種植年數的增加而逐年減少。假單胞菌目、硝化螺旋菌目(Nitrospirales)、浮霉菌目(Planctomycetales)、腸桿菌目(Enterobacteriales)、球形桿菌目(Sphaerobacterales)、酸微菌目(Acidimicrobiales)、棒桿菌目(Corynebacteriales)和土壤紅桿菌目(Solirubrobacterales)則隨甘蔗種植年數逐年增加。

圖5 與甘蔗輪作不同年限后香蕉田土壤細菌目水平上的物種分類熱圖

CK: 連作香蕉11年; GZ1: 香蕉連作地—甘蔗1年—香蕉1年; GZ2: 香蕉連作地—甘蔗2年—香蕉1年; GZ3: 香蕉連作地—甘蔗3年—香蕉1年。紅色表示微生物豐度上調, 藍色表示微生物豐度下調。CK: continuous cropping bananas for 11 years; GZ1: bananas monocropping – 1 year of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting; GZ2: bananas monocropping – 2 years of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting; GZ3: bananas monocropping – 3 years of sugarcane rotation – 1 year of banana replanting. Red means microbial abundance increased, blue means microbial abundance decreased.

2.5 優(yōu)勢微生物與香蕉枯萎病發(fā)病率的關系

為探索種植甘蔗后, 優(yōu)勢微生物變化與香蕉枯萎病發(fā)病率的關系, 在2.4.4的基礎上, 對細菌優(yōu)勢目豐度與香蕉枯萎病發(fā)病率進行Pearson相關性分析。結果表明, 酸桿菌目(=0.986,=0.007)、紅螺菌目 (=0.986,=0.041)、軍團菌目(=0.993,=0.003)豐度與發(fā)病率呈顯著正相關, 即以上細菌豐度越高, 香蕉枯萎病發(fā)病率越高。假單胞菌目(=-0.907,=0.047)、浮霉菌目(=-0.997,=0.002)、酸微菌目(=-0.929,=0.035)和土壤紅桿菌目(=-0.965,=0.018)豐度與發(fā)病率呈顯著負相關, 即以上細菌豐度越高, 香蕉枯萎病發(fā)病率越低。

3 討論

本研究表明, 甘蔗-香蕉輪作能顯著降低香蕉枯萎病發(fā)病率。已有輪作模式, 香蕉-韭菜[9]、香蕉-水稻[7]、香蕉-辣椒()[15]、香蕉-菠蘿[5]、香蕉-木薯[8]、香蕉-玉米[5]輪作, 后茬香蕉枯萎病發(fā)病率分別為2%、10%、13%、15%、40%、40%, 韭菜、辣椒、水稻、木薯相對防效分別為96.7%、84.7%、81.7%、55.5%。本研究的輪作模式, 后茬香蕉枯萎病發(fā)病率僅為17.86%~1.79%, 相對防效63.66%~96.36%, 效果與韭菜接近。與以上輪作模式相比, 甘蔗為傳統(tǒng)大宗作物, 與香蕉種植方式接近, 種植效益好, 更有利于大面積推廣應用。

目前研究認為, 輪作對緩解香蕉枯萎病發(fā)生存在多種控病機制。1)直接抑菌作用。如韭菜提取物能夠顯著抑制尖孢鐮刀菌菌絲生長和孢子萌發(fā), 并使其形態(tài)發(fā)生畸變[9], 其抑菌物質主要來源于根系揮發(fā)物中的2-甲基-2-戊烯醛(2-methyl-2-pentenal)、二甲基三硫醚(dimethyl trisulfide)、二甲基二硫醚(dimethyl disulfide)、二丙基二硫醚(dipropyl disulfide)、二丙基三硫醚(dipropyl trisulfide)[16]。柳紅娟[17]研究表明, 木薯提取物與根系分泌物對尖孢鐮刀菌菌絲生長和孢子萌發(fā)同樣具有顯著抑制作用。2)增加土壤拮抗菌。對辣椒[15]、玉米[5]、菠蘿[5]與香蕉的輪作研究表明, 這些作物的根系分泌物對尖孢鐮刀菌并無顯著抑制作用, 但能促進后茬土壤拮抗菌的生長, 辣椒輪作能有效提高土壤中芽孢桿菌科(Bacillaceae)、莫拉氏菌科(Moraxellaceae)和鞘脂單胞菌科(Sphingomonadaceae)細菌豐度[17]。菠蘿輪作顯著促進土壤中浮霉狀菌屬()、慢生根瘤菌屬()、伯克氏菌屬()等細菌顯著增加, 這些拮抗菌的增加改善了土壤環(huán)境, 間接抑制病原的生長[5]。3)改變土壤理化環(huán)境。還有研究表明, 水稻香蕉輪作, 在水稻種植的水淹厭氧條件下, Eh大幅度下降至-200 mV, 形成極強的負氧化還原電位, 能夠顯著抑制尖孢鐮刀菌孢子的存活, 緩解下茬香蕉枯萎病的爆發(fā)[18]。

本研究發(fā)現(xiàn), 連作蕉地輪作甘蔗后, 土壤中優(yōu)勢細菌所屬門類并沒有發(fā)生變化, 其主要門類均為變形菌門(28.20%)、酸桿菌門(24.93%)和綠彎菌門(14.37%), 這與歐陽嫻等[19]和Wang等[5]對韭菜-香蕉輪作模式和菠蘿-香蕉輪作模式的研究結果類似, 均發(fā)現(xiàn)變形菌門、酸桿菌門、綠灣菌門為香蕉連作土和輪作土的主要細菌群系。以上3個研究表明, 在輪作香蕉地中以上3個門類細菌占主要優(yōu)勢。本研究還表明, 香蕉枯萎病發(fā)病率與土壤中假單胞菌目、浮霉菌目呈負相關, 而與酸桿菌目呈正相關。

前人研究表明, 假單胞菌目中多種細菌能夠誘發(fā)植物產生誘導系統(tǒng)抗性(ISR)。van Peer等[20]發(fā)現(xiàn), 將熒光假單胞菌()WCS417r接種到康乃馨()的根系后, 能夠促進植物地上部對尖孢鐮刀菌()的抗性, 且植物地上部受害部位積累大量的植物抗毒素。Ahn等[21]將惡臭假單胞菌()LSW17S接種到番茄()土壤中, 番茄等防御基因被誘導上調表達, 緩解尖孢鐮刀菌()對番茄的危害。此外, 假單胞菌目中的其他一些有益菌能通過ET、JA等植物激素途徑促進植物抗病性[22-24]。另外一方面, 假單胞菌目某些細菌能夠通過直接抑制病原菌的生長而緩解植物病害的危害[25-27], 如塞帕仙假單胞菌()能夠通過向土壤中釋放β-1,3 glucanase而抑制病原菌的生長[25]。本研究表明, 假單胞菌目相對豐度隨著甘蔗種植年數的增加而逐年遞增, 且與香蕉枯萎病的發(fā)病率呈顯著負相關。因此, 我們推測連作香蕉地輪作甘蔗, 提高了土壤假單胞菌目豐度, 可能誘導植物產生抗性, 或直接抑制尖孢鐮刀菌的生長, 從而降低枯萎病的危害。

Pearson相關性分析表明, 浮霉菌目細菌豐度與枯萎病發(fā)病率呈顯著負相關。Wang等[5]研究表明, 與香蕉連作模式相比, 香蕉-菠蘿輪作模式中土壤浮霉菌門(Planctomycete)豐度更高, 且與枯萎病的發(fā)病率負相關。Sanguin等[28]的研究亦表明, 土壤浮霉菌門豐度與小麥()全蝕病呈顯著負相關。Zhou等[29]向黃瓜()土壤中加入自毒物質香豆酸后, 顯著促進了尖孢鐮刀菌的生長而顯著降低浮霉菌門細菌豐度, 兩者豐度呈相反的趨勢。因此, 這些證據均表明土壤中浮霉菌門細菌的增加可能與枯萎病發(fā)病率下降有一定關系。但是, 具體是浮霉菌門下何種細菌發(fā)揮作用則仍有待進一步研究。本研究亦表明, 酸桿菌目細菌豐度與枯萎病顯著正相關。根據已有研究表明, 在多種酸桿菌目中, 均存在編碼降解植物細胞壁和多糖酶的相關基因, 因此推測該目微生物能夠入侵植物并在植物內定殖[30-31]。另外, 也有研究發(fā)現(xiàn), 該目微生物與某些植物的抗旱性[32]和抗病性相關[33]。但是, 本研究酸桿菌目中何種細菌影響香蕉枯萎病的發(fā)生及其可能原因仍有待進一步研究。

4 結論

本研究對連作香蕉地輪作不同年限甘蔗時田間香蕉生長、香蕉枯萎病發(fā)生和土壤微生物群落結構組成、變化等進行了研究。結果表明: 連作香蕉地輪作2年甘蔗, 即可顯著降低后茬香蕉枯萎病發(fā)病率, 且明顯提高香蕉產量。土壤細菌群落豐度和多樣性指數隨著輪作甘蔗年限的增加而降低, 香蕉枯萎病發(fā)病率與土壤中假單胞菌目、浮霉菌目、酸微菌目和紅桿菌目呈負相關, 而與酸桿菌目、紅螺菌目、軍團菌目呈正相關關系，輪作甘蔗通過改變土壤微生物群落結構而間接影響尖孢鐮刀菌的生存環(huán)境, 降低香蕉枯萎病發(fā)病率。輪作2年后土壤微生物群落發(fā)生明顯變化, 達到有效防控香蕉枯萎病危害, 以及后茬香蕉增產效果, 與古籍《廣東新語》中關于香蕉-甘蔗輪作的記載一致。本研究對通過輪作等農業(yè)措施修復土壤和防控香蕉土傳病害具有指導意義。

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Continual effect and soil microbial ecology mechanism of banana-sugarcane rotation controllingwilt of banana (Ⅰ)*

ZENG Lisha1?, LIN Weipeng1,2,3?, LYU Shun1**, WANG Fang1, XIA Ling1, LIU Wenqing1, WU Chaorong2, ZHOU Jiankun1, DU Caixian1, CAI Kunzheng2, LIU Jianping1

(1. Institute of Banana and Vegetable Research, Dongguan 523061, China; 2. College of Natural Resources and Environment, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 3. Tea Research Institute, Guangdong Academy of Agricultural Sciences, Guangzhou 510642, China)

Banana wilt caused byf. sp.is one of the most widespread and severe diseases in the world. In recent years, banana-sugarcane rotation plantation has been used to prevent and controlwilt of banana in some farmlands in the Pearl River Delta with good effects.Banana-sugarcane rotation had been recorded in ancient Chinese book Guangdong New Sight, but the role, control effect and mechanism of the rotation system was unclear. Therefore, the control effect of bananawilt after different years of sugarcane rotation was studied and soil micro-ecological mechanism discussed in this paper. The complete random design method with 4 treatments of medium-resistance ‘Nongke No. 1’ banana and ‘Guangdong Yellow Peel’ sugarcane were used in the experiment. The farmland with 11 years of continuous cropping of banana (CK) was the control. Other three treatments were continuous cropping of banana ration with sugarcane for one year (GZ1), two years (GZ2) and three years (GZ3) before replanting banana for 1 year. The bananawilt disease incidence after various years of sugarcane rotation was investigated, the numbers of soil culturable micro-organisms measured, and soil microbial composition and structure analyzed using the high-throughput DNA sequencing technique. The results showed that that bananawilt incidence in banana continuously planting field was 49.15%. After one year of sugarcane rotation, the incidence dropped to 17.86% and the effect of the relative control was 63.66%. After two or three years of sugarcane rotation, the incidence was only 1.79% and the effect of the relative control was above 95%. The amount of cultivable bacteria increased significantly along with increased year of sugarcane rotation, but the amounts ofand actinomycetes significantly decreased. The amount of fungi did not significantly change. Sequence analysis showed that soil bacterial diversity index reduced with the number of years of sugarcane rotation. The relative abundance of bacteria of Pseudomonadales, Planctomycetales, Acidimicrobiales and Solirubrobacteralesapparentlyincreased with increasing number of sugarcane rotation years and had significantly negative correlation with the incidence of bananawilt. Meanwhile, bacteria of Acidobacteriales, Rhodospirillales, Legionellales and Enterobacteriales apparentlydecreased and had significantly positive correlation with the incidence of bananawilt. In summary, banana-sugarcane rotation significantly reduced banana wilt incidence, compared with continuous banana cropping system. The inhibiting effect apparently increased with increasing number of years of sugarcane rotation. In two years of sugarcane rotation of banana field, the incidence of banana wilt significantly reduced and the yield of banana significantly increased; which was consistent with the results recorded in the Guangdong New Sight. The changes in bacterial community structure in the soil played an important role in the control of bananawilt.

Continuous banana cropping; Banana-sugarcane rotation; Bananawilt;; Soil micro-organism

, E-mail: shunlv@qq.com

Apr. 9, 2018;

Aug. 29, 2018

S474

A

2096-6237(2019)02-0257-10

10.13930/j.cnki.cjea.180361

* 廣東省現(xiàn)代農業(yè)科技創(chuàng)新聯(lián)盟建設項目(2016LM4216)、廣東省現(xiàn)代農業(yè)產業(yè)技術體系(2018LM1027)、東莞市社會科技發(fā)展項目(2013108101043)和廣東省科技計劃項目(2012B020410005)資助

呂順, 主要從事香蕉蔬菜病害防控研究。E-mail: shunlv@qq.com

?同等貢獻者: 曾莉莎, 主要從事香蕉蔬菜病害防控研究, E-mail: 371924298@qq.com; 林威鵬, 主要從事農業(yè)生態(tài)學研究, E-mail: linweipeng1986@163.com

2018-04-09

2018-08-29

* This study was founded by the Innovation Alliance Construction Project of Modern Agricultural Technology of Guangdong Province (2016LM4216), the Modern Agricultural Industry Technology System in Guangdong Province (2018LM1027), the Social Development Science and Technology Project of Dongguan City (2013108101043) and the Science and Technology Plan Projects of Guangdong Province (2012B020410005).

?Equenlent contributors

曾莉莎, 林威鵬, 呂順, 王芳, 夏玲, 劉文清, 伍朝榮, 周建坤, 杜彩嫻, 蔡昆爭, 劉建平. 香蕉-甘蔗輪作模式防控香蕉枯萎病的持續(xù)效果與土壤微生態(tài)機理(Ⅰ)[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報(中英文), 2019, 27(2): 257-266

ZENG L S, LIN W P, LYU S, WANG F, XIA L, LIU W Q, WU C R, ZHOU J K, DU C X, CAI K Z, LIU J P. Continual effect and soil microbial ecology mechanism of banana-sugarcane rotation controllingwilt of banana (Ⅰ)[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(2): 257-266