蔡麗瓊,陳 瑞,楊德強(qiáng),趙長(zhǎng)林
(1西南林業(yè)大學(xué)生物多樣性保護(hù)學(xué)院,昆明 650224;2云南國(guó)誠(chéng)農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司,云南昭通 657000)
天麻(Gastrodia elata)為蘭科植物的干燥塊莖,是中國(guó)名貴的中藥材之一,在大部分地區(qū)均有栽培。云南是天麻地道藥材的主產(chǎn)區(qū)之一[1-2],尤以滇東北昭通市彝良縣出產(chǎn)的天麻藥材質(zhì)量最佳[3]。受土地資源的限制,麻農(nóng)長(zhǎng)期連作不僅導(dǎo)致連作障礙問題,而且降低了天麻的品質(zhì),致使天麻產(chǎn)量降低、病害加重[4-6]。
土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分[7-8],能直觀反映土壤微生態(tài)狀況及病害的發(fā)展趨勢(shì)[9],被認(rèn)為是土壤生態(tài)系統(tǒng)的敏感預(yù)警指標(biāo)[10]。作物連作障礙主要是由土壤、植物及微生物“三角關(guān)系”不和諧引發(fā)“局部戰(zhàn)爭(zhēng)”,其中土壤微生物區(qū)系群落結(jié)構(gòu)的“軍備競(jìng)賽失衡”為最主要因素[11-12]。連作障礙逐漸成為偷襲作物產(chǎn)量和質(zhì)量的重要兇手之一,其主要元兇包括土壤理化性質(zhì)惡化、微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)失衡、自毒物質(zhì)積累,進(jìn)而誘發(fā)作物生長(zhǎng)弱化、病蟲害加劇等問題?;谧魑锔繀^(qū)系研究的逐漸透視化,表明微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)失衡為連作障礙的“主犯”,其主要表現(xiàn)為土壤微生物環(huán)境平衡被破環(huán)及該區(qū)域內(nèi)微生物之間碳源、空間競(jìng)爭(zhēng),因此筆者認(rèn)為重塑連作后微生物個(gè)體間的等級(jí)關(guān)系和社會(huì)制度是解決連作障礙理想策略[13]。連作障礙改變土壤的微生物群落結(jié)構(gòu),促使土壤由統(tǒng)治的“細(xì)菌型”土壤淪落為“階下囚”,進(jìn)而由“真菌型”土壤占主導(dǎo)地位[14],從而導(dǎo)致作物發(fā)生病蟲害,造成作物連作障礙。劉世鵬等[15]基于開展附子連作障礙對(duì)根際土壤微生物群落時(shí)空變化分析,研究結(jié)果揭示連作2 年附子土壤中部分真菌相對(duì)豐度明顯增加,大部分細(xì)菌多樣性也隨之增加。周柳婷等[16]研究木麻黃連作后微生物區(qū)系變化,結(jié)果顯示土壤中的優(yōu)勢(shì)菌存在極大差異,其中慢生根瘤菌屬相對(duì)豐度上升,而其他菌屬的相對(duì)豐度降低。Liu 等[17]研究短期連續(xù)種植大豆對(duì)土壤微生物區(qū)系的影響,結(jié)果揭示土壤細(xì)菌豐度降低,而真菌豐度升高。前人分析天麻內(nèi)生、土壤真菌群落結(jié)構(gòu)變化與病害的關(guān)系,結(jié)果顯示天麻內(nèi)真菌群落結(jié)構(gòu)變化與天麻病害發(fā)生呈線性關(guān)系[18];土壤微生物真菌群落結(jié)構(gòu)改變直接導(dǎo)致天麻褐腐病爆發(fā)[19];張進(jìn)強(qiáng)等[20]研究表明天麻連作提高了土壤中真菌的豐度,致使天麻土傳真菌病害高頻率、高強(qiáng)度爆發(fā)。
目前天麻連作障礙成因解析方法、途徑、脈絡(luò)及串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等科學(xué)問題研究甚少,尤其是蜜環(huán)菌、天麻、菌材和土壤微生物之間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系缺乏系統(tǒng)認(rèn)知,天麻連作后土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的研究未見報(bào)道。近年來,高通量測(cè)序技術(shù)已經(jīng)趨于成熟,其較傳統(tǒng)分離和培養(yǎng)方法具通量高、靈敏度好、無需克隆直接測(cè)序等優(yōu)點(diǎn),因而被譽(yù)為土壤微生物多樣性解析的魔幻方法[21-22]。因此,本研究基于高通量測(cè)序技術(shù),以不同連作年限天麻根際土壤為研究對(duì)象,旨在解析連作障礙對(duì)天麻根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響,進(jìn)而為揭示連作障礙復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的成因搭建基本數(shù)據(jù)集,以期為破解天麻連作障礙提供思路。
試驗(yàn)地位于云南省昭通市彝良縣蕎山鎮(zhèn)(海拔1650 m,27°39'33''N,104°16'14''E),年均氣溫11℃,年均降水量860 mm,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,該地區(qū)常年多霧,氣候濕潤(rùn),土壤含豐富的腐殖質(zhì),所產(chǎn)天麻品質(zhì)好。
研究共設(shè)3 個(gè)處理,每個(gè)處理平行取樣3 份(3 個(gè)不同天麻菌塘),各處理混合取樣1 份。試驗(yàn)土壤于2021 年5 月采集對(duì)照組土樣及種植1 茬天麻土樣,于2021年10月采集種植2茬天麻土樣;對(duì)照組為同一地區(qū)原始闊葉林林地土壤(未種植過天麻)(cha001,Lin019、Lin020、Lin021),試驗(yàn)組2 個(gè)處理,分別為種植過1 茬天麻樣地(cha002,Lin015、Lin016、Lin017)、種 植 過2 茬 天 麻 樣 地(cha003,Lin079、Lin080、Lin081),共取樣12份。
取樣時(shí)采用五點(diǎn)取樣法,除去覆蓋天麻表面的土壤、植物根系、碎石及其他雜物,使用事先滅好菌的離心管(50 mL),取深度為10~20 cm、距離天麻根際2 cm以內(nèi)的土樣,存于自封袋內(nèi)避免污染,標(biāo)記并編號(hào),置于冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室,于-80℃冰箱內(nèi)保存,用于土壤總DNA的提取。
試驗(yàn)采用土壤DNA 提取試劑盒(BioFlux 公司,中國(guó))提取天麻根際土壤基因組總DNA。參照周柳婷等[16]的方法,將采回的土樣進(jìn)行總DNA的提取,之后使用Nanodrop和瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA樣品的濃度與純度。取適量基因組總DNA進(jìn)行稀釋至1 ng/μL,并將其作為模板,細(xì)菌引物采用16S rDNAV4 區(qū)通用引物515F/806R(5′-CCTACGGGNGGCWGCAG-3′,5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)進(jìn)行PCR 擴(kuò)增[23],擴(kuò)增程序包括變性—退火—延伸3 個(gè)過程:98℃預(yù)變性2 min;98℃變性15 s,55℃退火30 s,72℃延伸30 s,共25 個(gè)循環(huán);最后72℃終延伸5 min 結(jié)束。擴(kuò)增后的產(chǎn)物用2%的瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測(cè)分析,并對(duì)目標(biāo)條帶進(jìn)行割膠回收,獲得純化的PCR產(chǎn)物。最后將PCR產(chǎn)物送至北京諾禾致源科技股份有限公司,基于Illumina Novaseq測(cè)序平臺(tái),進(jìn)行高通量測(cè)序。
首先使用Trimmomatic v0.33 軟件對(duì)測(cè)序所得原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾,使用cutadapt 1.9.1 軟件對(duì)引物進(jìn)行識(shí)別與去除得到高質(zhì)量序列,使用Usearch v10 軟件進(jìn)行雙端序列拼接,使用UCHIME v4.2軟件去除嵌合體得到有效序列,使用Usearch 軟件[24]對(duì)優(yōu)化后的高質(zhì)量序列在97.0%的相似度水平下進(jìn)行聚類、獲得OTU;使用QIIME2 軟件,對(duì)樣品Alpha 多樣性指數(shù)進(jìn)行評(píng)估,使用鄧肯法(Duncan)對(duì)組件差異顯著分析進(jìn)行檢驗(yàn)(P<0.05);使用QIIME2 軟件生成不同分類水平上的物種豐度表,基于物種分類信息利用R 語言工具繪制樣品各分類學(xué)水平下的物種分布柱狀圖;再使用QIIME2軟件進(jìn)行β多樣性分析。
高通量測(cè)序結(jié)果顯示,12個(gè)樣品測(cè)序經(jīng)質(zhì)控后共獲得1245904條有效序列,平均長(zhǎng)度為253 bp,測(cè)序覆蓋率均在99%以上,基本涵蓋該區(qū)域所有的細(xì)菌群落?;?7.0%的相似度水平下進(jìn)行聚類獲得2068個(gè)OTU,韋恩圖(圖1)表明,不同連作次數(shù)天麻根際土壤之間細(xì)菌群落OTU 組成的差異性和重合情況,在OTU 水平上,cha001、cha002、cha003 中分 別有1537、1503、1746 個(gè)OTU,OTU 數(shù) 目cha003>cha001>cha002,其中土樣cha001 中特有細(xì)菌OTU占總OTU 序列的0.04%(89)、cha002 占00.01%(14)、cha003占22.58%(467),cha001、cha002、cha003根際土壤中共有細(xì)菌OTU數(shù)量為1220占58.99%。根際土壤細(xì)菌OTU數(shù)量隨連作年限增加逐漸升高,連作1茬天麻時(shí)土壤細(xì)菌OTU數(shù)量低于未種植過天麻的土壤,連作2茬天麻時(shí)OTU數(shù)量顯著高于未種植天麻土壤。
圖1 基于OTU豐度的不同連作天麻根際土壤細(xì)菌群落韋恩圖
基于Alpha 多樣性指數(shù)分析,連作天麻根際土壤中細(xì)菌群落中Chao1 和ACE 指數(shù)用來衡量土壤中細(xì)菌數(shù)量,數(shù)值越大,物種豐度越高,Simpson 指數(shù)用于表示土壤中細(xì)菌優(yōu)勢(shì)度,Shannon 指數(shù)用于衡量土壤中細(xì)菌多樣性。由表1 可知,Simpson 指數(shù)無顯著變化(P<0.05),說明此次處理各樣品均勻度較高。土壤細(xì)菌豐度揭示,與cha001 相比,cha002 中的ACE 和Chao1指數(shù)分別增加25.56%、24.61%;與cha002相比,cha003中ACE、Chao1指數(shù)分別增加16.30%、16.55%;可以看出不同連作次數(shù)土壤中細(xì)菌物種豐度呈上升趨勢(shì);Shannon指數(shù)隨著連作次數(shù)的增加呈上升趨勢(shì),但組間多樣性變化差異不顯著(P<0.05)。連作2 茬天麻時(shí)土壤中細(xì)菌豐度及多樣性均達(dá)到最大。
表1 連作天麻根際土壤細(xì)菌群落豐富度和多樣性指數(shù)
基于不同連作次數(shù)天麻根際土壤細(xì)菌群落門水平結(jié)構(gòu)分析(圖2)表明,天麻根際土壤中主要包括奇古菌門 (Thaumarchaeota)、 疣微菌門(Verrucomicrobia)、uncultured-bacterium-k-Bacteria、Patescibacteria、厚壁菌門(Firmicutes)、放線菌門(Actinobacteria)、浮霉菌門(Planctomycetes)、酸桿菌門(Acidobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、變形菌門(Proteobacteria)。其中變形菌門、綠彎菌門、酸桿菌門為突出優(yōu)勢(shì)菌群,相較于cha001,隨著連作天麻次數(shù)的增加,變形菌門及酸桿菌門的豐度呈上升趨勢(shì),并且在連作2 茬(cha003)時(shí)豐度達(dá)到最大,綠彎菌門的豐度隨連作天麻次數(shù)的增加逐漸降低,且連作后天麻根際土壤中綠彎菌門豐度均低于cha001。
圖2 連作天麻根際土壤細(xì)菌群落在門水平上的相對(duì)豐度
綱水平分析(圖3)顯示,連作天麻根際土壤主要優(yōu)勢(shì)菌綱為酸桿菌綱 (Acidobacteria)、變形菌綱(Alphaproteobacteria)、纖線桿菌綱(Ktedonobacteria)。結(jié)果表明,隨著天麻連作次數(shù)的增加,酸桿菌綱的豐度呈上升趨勢(shì);相較于cha001,連作提高了土壤中變形菌綱的豐度,隨天麻連作次數(shù)增加呈降低趨勢(shì);纖線桿菌綱物種豐度隨天麻連作次數(shù)的增加呈降低趨勢(shì),在cha003顯著降低。
圖3 連作天麻根際土壤真菌群落在綱水平上的相對(duì)豐度
目水平分析(圖4)表明,優(yōu)勢(shì)菌主要有微酸菌目(Acidobactertales)、根瘤菌目(Rhizobiales)、索利氏菌目(Solibacterales)、纖線桿菌目(Ktedonobacterales)。相比cha001,隨著天麻連作次數(shù)的增加微酸菌目豐度呈降低趨勢(shì);連作后根瘤菌目相對(duì)豐度均高于原壤,隨連作次數(shù)增加呈降低趨勢(shì);索利氏菌目和纖線桿菌目隨連作次數(shù)增加逐漸降低,且在連作2茬天麻物種豐度顯著降低。
圖4 連作天麻根際土壤細(xì)菌群落在目水平上的相對(duì)豐度
屬水平分析(圖5)顯示,隨著連作天麻次數(shù)的增加,uncultured_bacterium_o_Acidobacteriales、uncultured_bacterium_c_AD3 及苔蘚桿菌屬(Bryobacter)主要優(yōu)勢(shì)菌屬豐度降低,uncultured_bacterium_c_AD3 和苔蘚桿菌屬豐度在連作2 茬天麻時(shí)顯著降低,土壤中多數(shù)菌屬豐度在連作2 茬天麻時(shí)顯著降低,uncultured_bacterium_o_Subgroup_2 菌屬豐度在連作2 茬天麻時(shí)顯著升高,未種植天麻土壤與連作1 茬天麻的土壤中基本不含該菌屬。
圖5 連作天麻根際土壤細(xì)菌群落在屬水平上的相對(duì)豐度
主成分分析顯示(圖6A),細(xì)菌群落受PC1和PC2的影響,分別解釋了變量方差的60.40%和19.19%,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)79.59%,說明連作土壤樣本微生物序列可反映變量所有信息。在坐標(biāo)體系中,主成分1 分析揭示cha001和cha002主要分布在PC1的正軸上,cha003分布在PC1 的負(fù)軸上;主成分2 分析表明,cha001 和cha003 主要分布在PC2正軸上,而cha002分布在PC2負(fù)軸上,且3 個(gè)樣本分布較為集中。屬水平上UPGMA 聚類樹分析顯示(圖6B),樣品越靠近,支長(zhǎng)越短,表明樣品組成越相似,cha001 和cha002 土壤聚在一支上,而cha003 聚為單獨(dú)一支,說明cha001 和cha002 2 個(gè)樣本細(xì)菌群落組成相似,隨著連作天麻次數(shù)的增加,土壤細(xì)菌群落差異變大。
圖6 連作天麻根際土壤細(xì)菌的β多樣性分析
本研究揭示了連作天麻根際土壤中細(xì)菌群落的變化趨勢(shì)。隨著連作年限增加,土壤中細(xì)菌群落相對(duì)豐度及多樣性呈升高趨勢(shì),其中變形菌門及酸桿菌門豐度增加顯著,然而綠彎菌門豐度降低。研究結(jié)果明晰了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,其導(dǎo)致土壤內(nèi)微生物成員關(guān)系被打破,進(jìn)而導(dǎo)致天麻長(zhǎng)勢(shì)衰弱、病原菌積累,促使天麻病害發(fā)生,導(dǎo)致生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制和天麻減產(chǎn),該結(jié)果推斷土壤細(xì)菌區(qū)系相對(duì)豐度提升和群落結(jié)構(gòu)的失衡為導(dǎo)致天麻連作障礙的起因,連作打破了微生物群落的長(zhǎng)久“勢(shì)力”平衡天平,從而導(dǎo)致土壤微生物對(duì)空間和資源的競(jìng)爭(zhēng)和掠奪,因而波及到了天麻根際大環(huán)境,最終導(dǎo)致天麻生長(zhǎng)受到影響。近年土壤微生物菌劑在作物抗病應(yīng)用方面取得豐碩的成果,因此,通過外援施加土壤內(nèi)“欠缺的”微生物菌劑可能為緩解天麻連作障礙指明一個(gè)待嘗試的方向和思路,而本研究為探尋土壤內(nèi)“欠缺的”細(xì)菌成員提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集,可為破解天麻連作障礙提供基礎(chǔ)參考。
連作障礙嚴(yán)重制約著天麻產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的快速前行,被譽(yù)為天麻種植的“剎車板”,其是導(dǎo)致作物減產(chǎn)的一個(gè)主要因素。目前國(guó)內(nèi)的連作障礙問題越發(fā)嚴(yán)重,無論是糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物或者是人工林等,都出現(xiàn)了不同程度的連作障礙問題[25]。據(jù)大量研究表明,連作障礙問題在藥用植物中也較為突出,如地黃、三七、人參、太子參、白術(shù)、丹參等,其中土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化是導(dǎo)致連作障礙形成的關(guān)鍵因素。盡管連作問題已經(jīng)受到廣泛關(guān)注,但連作問題未能從根本上得到解決,目前僅是處于緩解狀態(tài)。因此本研究基于天麻來探究多年連作試驗(yàn)梯度水平下土壤細(xì)菌群落的變化,為緩解天麻連作障礙問題提供微生物視角下基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。
土壤豐富度和多樣性不僅反映土壤健康狀況及質(zhì)量狀況,而且對(duì)作物的生長(zhǎng)狀態(tài)起決定性作用。三七[26]隨連作年限增加,根際土壤細(xì)菌群落的豐富度和多樣性逐漸下降;連作導(dǎo)致苧麻根際土壤細(xì)菌群落多樣性降低[27];百香果連作后土壤細(xì)菌群落多樣性降低,豐富度升高[28];藜麥連作后土壤中細(xì)菌的多樣性及豐度均降低[29];甜瓜連作后降低了土壤中細(xì)菌群落的物種多樣性[30]。大量試驗(yàn)表明,不同作物連作后土壤中細(xì)菌多樣性及豐度呈現(xiàn)不同變化趨勢(shì)。本研究基于高通量測(cè)序?qū)Σ煌B作次數(shù)天麻根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析,結(jié)果顯示,連作天麻土壤中的細(xì)菌群落均勻度無明顯變化,細(xì)菌群落豐度及多樣性隨連作年限增加呈上升趨勢(shì),并且在連作2 茬天麻時(shí)土壤中的細(xì)菌豐度及多樣性最高,這與大部分研究結(jié)果存在差異,分析原因可能是栽培作物、地理地勢(shì)、土壤里化性質(zhì)及土壤富含的腐殖質(zhì)不同,導(dǎo)致連作土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)不同。唐鑫等[19]研究結(jié)果認(rèn)為,天麻栽培過程中將蜜環(huán)菌連同菌材一同埋入土壤,可能是引發(fā)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)失衡的原因。蜜環(huán)菌為天麻生長(zhǎng)提供營(yíng)養(yǎng),與之形成共生關(guān)系,蜜環(huán)菌以寄生木材上的纖維為營(yíng)養(yǎng)來源,其降解物還可以為土壤中的物種提供營(yíng)養(yǎng)[31],營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)充沛,可能是導(dǎo)致連作土壤中細(xì)菌多樣性及豐度升高的因素。
前人研究揭示土壤微生物群落豐度在不同種植作物之間存在差異,殷繼忠等[32]研究顯示,大豆連作導(dǎo)致土壤中的酸桿菌門及綠彎菌門相對(duì)豐度升高,而變形菌門和放線菌門相對(duì)豐度呈降低趨勢(shì)。李晶晶等[33]研究發(fā)現(xiàn),設(shè)施百合連作后變形菌門和放線菌門隨連作年限增加豐度逐漸降低,而酸桿菌門和綠彎菌門則呈上升趨勢(shì);喬清華等[34]分析連作對(duì)棉花根際細(xì)菌群落變化的影響,發(fā)現(xiàn)相比非棉花根際土壤,土壤中變形菌門的相對(duì)豐度顯著降低,酸桿菌門、浮霉菌門、擬桿菌門的相對(duì)豐度則顯著升高;高林等[35]研究認(rèn)為,連作導(dǎo)致煙草土壤中的放線菌門及泉古菌門的相對(duì)豐度增加,變形菌門在不同連作年限中相對(duì)豐度最高;周界等[36]對(duì)連作穿心蓮?fù)寥牢⑸锏姆治鲲@示,連作后變形菌及酸桿菌門相對(duì)豐度升高,Pactescibacteria 相對(duì)豐度減少。大量試驗(yàn)表明,不同作物連作土壤中的優(yōu)勢(shì)菌群均有一定的相似性。本研究測(cè)序結(jié)果顯示,天麻連作后根際土壤中的酸桿菌門、綠彎菌門、變形菌門是豐度最高的優(yōu)勢(shì)菌群,這與前人的研究結(jié)果相似。相較于cha001,隨著連作天麻次數(shù)的增加,變形菌門及酸桿菌門的豐度呈上升趨勢(shì),并且在連作2 茬(cha003)時(shí)豐度達(dá)到最大,與大豆、百合、棉花的研究結(jié)果存在差異,與穿心蓮的研究結(jié)果相似。變形菌門是土壤中常見的優(yōu)勢(shì)菌群,適宜存在于pH 低、高碳和氮的土壤中[37],同時(shí)也包含了大量的動(dòng)植物致病菌[38],酸桿菌門是寡營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌[39],土壤豐度越高,表明土壤狀況越趨于貧瘠化,連作致使土壤中致病菌的積累及土壤趨于貧瘠化,可能與連作障礙的形成有關(guān)。土壤腐殖質(zhì)是土壤肥力的重要指標(biāo),細(xì)菌及真菌在其形成過程中發(fā)揮著重要作用[40],本研究采集地植被豐富,腐殖質(zhì)含量高,可能是導(dǎo)致土壤中變形菌門及酸桿菌門變化趨勢(shì)與其他作物不一致的原因。綠彎菌門的豐度隨連作天麻次數(shù)的增加逐漸降低,且連作后天麻根際土壤中綠彎菌門豐度均低于cha001,與大豆、百合的研究結(jié)果相反。綠彎菌門是光能營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌[41],具有綠色色素,可以利用光產(chǎn)生能量,與群落中其他微生物存在密切的互作[42],天麻連作土壤中綠彎菌門的豐度隨連作次數(shù)增加逐漸降低,導(dǎo)致土壤微生物群落互作關(guān)系失衡。屬水平上,連作提高了土壤中酸桿菌門的豐度,但門下酸桿菌屬豐度隨連作次數(shù)增加逐漸降低;土壤中多數(shù)菌屬豐度在連作 2 茬天麻時(shí)顯著降低,而uncultured_bacterium_o_Subgroup_2 菌屬豐度在連作2 茬天麻時(shí)顯著升高,未種植天麻土壤與連作1 茬天麻的土壤中基本不含該菌屬,連作致使微生物群落分布受到破壞,導(dǎo)致菌群分布不均。