劉賢文, 郭華春

馬鈴薯與玉米復合種植對土壤化感物質及土壤細菌群落結構的影響*

劉賢文, 郭華春**

(云南農業(yè)大學薯類作物研究所 昆明 650201)

為探究馬鈴薯與玉米復合種植對化感物質積累與細菌群落結構的影響, 分析輪作、間作緩解連作障礙的機制, 本研究以馬鈴薯連作、玉米連作、馬鈴薯||玉米間作、馬鈴薯-玉米輪作第8年的土壤為對象,利用GC-MS測定土壤中化感物質含量, 并采用Illumina Miseq高通量測序技術對土壤細菌16Sr DNA V4-V5區(qū)域進行測序,分析土壤中細菌多樣性和群落結構的變化, 并對化感物質和優(yōu)勢菌屬進行相關性分析。結果表明: 玉米連作和馬鈴薯連作會導致化感物質的積累, 玉米連作土壤積累了更多的油酸、亞油酸、花生酸、木焦油酸等脂肪酸, 馬鈴薯連作土壤積累了更多的硬脂醇、二十烷醇等脂肪醇類物質。輪作降低了大部分化感物質的積累, 間作降低的化感物質種類相對輪作較少。不同種植方式下土壤細菌群落結構發(fā)生了顯著變化, 相對于連作, 間作和輪作Ace指數和Chao指數顯著升高。在門水平上, 輪作土壤放線菌豐度顯著高于馬鈴薯連作土壤, 間作土壤擬桿菌門豐度顯著低于玉米連作土壤, 兩種連作土壤中酸桿菌門豐度都較輪作顯著升高。在屬水平上, 一些有益細菌如節(jié)桿菌屬、溶桿菌屬等在復合種植土壤中相對豐度更高。通過相關性分析發(fā)現土微菌屬、小梨形菌屬與脂肪醇類物質呈顯著正相關, 黃桿菌屬、溶桿菌屬、微桿菌屬等與脂肪酸類物質呈顯著負相關。馬鈴薯與玉米復合種植降低了化感物質在土壤中的積累, 從而抑制了土壤細菌豐度的降低, 提高了有益菌屬豐度, 消減了連作障礙。

馬鈴薯; 玉米; 連作障礙; 輪作; 間作; 化感物質; 土壤細菌

土壤是農業(yè)生產的基礎, 而近50年來我國耕地面積不斷縮小, 人口壓力下對糧食需求不斷擴大。由于地方條件差異, 作物栽培種類表現出區(qū)域化, 出現了由輪作向單一化連作栽培的趨勢[1]。而連作導致了十分嚴重的土壤問題并造成了糧食產量的下降。在馬鈴薯()的生產試驗中, 一般在連作6年后表現出強烈的連作障礙。目前對于連作障礙的研究表明, 連作導致的化感物質積累和土壤細菌多樣性下降及群落結構的改變是產生連作障礙的原因之一[2]。

土壤化感物質與土壤細菌是互相影響的?；形镔|既可以影響植物也可以影響細菌, 同時又兼具正面和反面作用[3]。比如在一定濃度下脂肪酸類物質會抑制植物的生長[4-5], 同時脂肪醇也可以抑制某些細菌的生長[6]。土壤細菌不僅是土壤養(yǎng)分循環(huán)的一個重要因子[7], 可以通過分泌生長激素來促進植物的生長和發(fā)育[8-9], 甚至幫助植株抵御病害[10], 并且細菌也是土壤有機物主要的分解者。在Li等[11]的研究中發(fā)現滅菌土壤幾乎喪失了分解酚酸類物質的能力。

目前輪作[12]、間作[13]等復合種植方式是緩解連作障礙的主要手段, 并且有研究表明長期間作可以保持土壤的化學性狀[14], 輪作可以減少連作土壤中的酚酸類物質等[15]。但采用多組學手段探究間作和輪作土壤變化的研究較少, 對于玉米()與馬鈴薯輪作、間作條件下土壤化感物質與細菌變化的研究尚少見報道。

本研究室前期進行了8年的馬鈴薯與玉米輪作、間作、連作試驗, 在最近兩年中, 連作馬鈴薯單株產量分別為610.5 g、657.6 g, 比間作下降12.8%、13.1%, 比輪作下降19.8%; 連作玉米單株產量為191.0 g、201.7 g, 比間作分別下降7.2%、7.7%, 比輪作下降13.8%。由于收獲與播種中間間隔有1個月以上, 易分解的化感物質在這個時間內會分解一部分, 所以本研究以馬鈴薯連作、玉米連作、玉米||馬鈴薯間作、馬鈴薯-玉米輪作8年后播種前的土壤為對象, 研究了化感物質積累情況及土壤細菌多樣性和群落結構, 及化感物質和細菌的相關性, 分析輪作、間作緩解連作障礙的機制, 為克服連作障礙的研究提供進一步的理論依據。

1 材料與方法

1.1 土壤背景與采集

試驗地點位于云南農業(yè)大學試驗田(25°22′N, 102°44′E), 于2011年3月開始進行馬鈴薯||玉米間作(J)、馬鈴薯-玉米輪作(L)、馬鈴薯連作(M)、玉米連作(Y)試驗。供試馬鈴薯為‘青薯9號’, 玉米為‘云瑞8號’。每年3月中旬播種, 8月收獲。輪作處理第1年種植馬鈴薯, 第2年種植玉米; 間作為兩行馬鈴薯間作兩行玉米。每個處理間隔1 m, 面積5 m×9 m, 不設重復。馬鈴薯株距30 cm、行距60 cm, 玉米株距60 cm、行距40 cm, 所有處理每次播種前施NPK復合肥750 kg?hm–2(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)和有機肥12 000 kg?hm–2。于2019年3月20日每個處理隨機布點20個采集5~15 cm的土壤, 立即保存在-80 ℃冰箱。

1.2 潛在化感物質提取

從各個處理收集的土壤中取1/2過100目篩, 準確稱取5 g土壤放入50 mL離心管中, 加入20 mL甲醇, 混勻后超聲萃取1 h, 4 000 r×min-1離心5 min后取上清液10 mL, 0.45 μm微孔濾膜過濾后在通風櫥揮發(fā)干燥, 使用2 mL氯仿進行萃取, 并保存于4 ℃冰箱, 8個重復。

1.3 GC-MS分析條件

在150 μL襯管中加入30 μL氯仿萃取液及5 μL內標物質十九烷酸甲酯(0.02 μg?μL-1), 干燥后加入30 μL BSTFA, 70 ℃烘箱放置1 h進行衍生化作為待測樣品[16]。從各處理中分別吸取10 μL氯仿萃取液和5 μL十九烷酸甲酯, 加入150 μL襯管, 后續(xù)步驟與待測樣本一致, 作為QC(Quality Control)樣本, 插入進樣序列中, 每測定8個樣本中間插入1個QC樣本。

GC-MS型號(Agilent 7890B/5977A), 自動進樣器Agilent G4513A, 色譜柱Agilent HP-5MS (30 m× 205 μm×0.25 μm)進樣口溫度為270 ℃。升溫程序: 起始溫度60 ℃, 以10 ℃?min-1速率升至280 ℃保持7 min。離子源溫度為230 ℃, 四級桿溫度150 ℃, 掃描模式為全掃描。溶劑延遲5 min, 后運行3 min, 載氣為He, MS掃描速度1 562 u?s-1, 掃描起點20, 掃描終點700, 閾值150, 步長0.1 m?z-1, 不分流進樣, 流速1 mL?min-1。

1.4 土壤化感物質定性與定量測定

對GC-MS檢測結果使用Masshunter未知物分析和AMDIS(Automated Mass Spectral Deconvolution & Identification System)進行解卷積和未知物定性, 使用NIST數據庫進行檢索, 保留最大匹配度大于800且保留指數差異小于3%的物質[17], 并選擇干擾最小的定性離子峰計算峰面積。使用C7~C30混合正構烷烴按相同條件運行GC-MS來計算保留指數, 利用十九烷酸甲酯內標物質對鑒定出來的化感物質進行定量, 計算公式[18]為:

(μg?g–1)=C×P/P×2×2×1 000(1)

式中:為被測物質含量;C為內標物質濃度(0.033 3 μg?μL–1);為樣本中被測物質峰面積;P為該樣本中內標物質峰面積; 第1個2為計算2 mL氯仿中該物質含量, 第2個2為20 mL甲醇中該物質含量;為土壤質量, 5 g。

1.5 DNA提取及16SrDNA測序

使用FastDNA Spin Kit for Soil試劑盒完成總DNA提取, PCR擴增區(qū)域為16S V4-V5區(qū), 上游引物515F, 下游引物907R, 使用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit進行PCR產物純化, 將PCR產物用Quantus Fluorometer進行檢測定量。使用NEXT FLEX Rapid DNA-Seq Kit進行建庫, 利用Illumina公司的Miseq PE300平臺進行測序(上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司), 然后使用UPARSE軟件, 根據97%的相似度對序列進行OTU聚類, 使用UCHIME軟件剔除嵌合體, 利用RDP classifier對每條序列進行物種分類注釋, 比對Silva數據庫(SSU128), 每個處理3個重復。

1.6 數據處理與分析

使用美吉云平臺(www.i-sanger.com)進行細菌注釋及多樣性指數計算, Excel 2016進行數據整理, SPSS 23.0進行顯著性比較, SIMCA-P14.1進行PCA和OPLS-DA分析, 使用Origin 2018繪制柱狀圖和堆積圖, 使用R pheatmap包制作聚類熱圖。

2 結果與分析

2.1 不同種植方式下土壤化感物質成分及其含量差異

從圖1可以看出, 各處理保留時間未出現漂移, 表明通過保留時間結合定性離子進行定量分析具有可靠性。利用NIST數據庫進行定性, 利用QC樣本測定各峰變異系數, 剔除變異系數大于30%的物質后共鑒定出43種化合物。其中有機酸類物質14種, 分別是苯甲酸、壬酸、癸酸、月桂酸、肉豆蔻酸、十五烷酸、棕櫚酸、十七烷酸、亞油酸、油酸、硬脂酸、松香酸、花生酸、木焦油酸; 醇類物質12種, 分別是月桂醇、肉豆蔻醇、棕櫚醇、硬脂醇、葉綠醇、二十烷醇、二十二烷醇、二十三烷醇、二十四烷醇、蠟醇、二十八烷醇、膽固醇; 酯類物質10種, 分別是鄰苯二甲酸二異丁酯、3-(3,5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸甲酯、鄰苯二甲酸二丁酯、十六烷酸二羥乙基酯、豆蔻酸甘油酯、鄰苯二甲酸雙(2-乙基己基)酯、2-棕櫚酸甘油酯、單棕櫚酸甘油酯、2-硬脂酸甘油酯、單硬脂酸甘油酯; 酚類物質5種, 分別是2,4-二叔丁基苯酚、2,6-二叔丁基苯酚、2,6-二甲氧基對苯二酚、雙酚A、γ-生育酚; 醛類1種, 對羥基苯甲醛; 雜環(huán)類1種, 7,9-二叔丁基-1-氧雜環(huán)[4.5]十一烷-6,9二烯-2,8二酮。

圖1 馬鈴薯和玉米不同種植方式下土壤化感物質總離子色譜

J: 馬鈴薯||玉米間作; L: 馬鈴薯-玉米輪作; M: 馬鈴薯連作; Y: 玉米連作。J: potato intercropped with maize; L: potato-maize rotation; M: continuous cropping of potato; Y: continuous cropping of maize.

對各處理化感物質含量-score標準化后進行主成分分析(圖2), 各處理組內差異較小, 可以較好地聚集在一起, 各處理組間可以顯著分開, 說明各處理存在成分上的差異。

圖2 馬鈴薯和玉米不同種植方式下土壤化感物質含量的主成分分析

J: 馬鈴薯||玉米間作; L: 馬鈴薯-玉米輪作; M: 馬鈴薯連作; Y: 玉米連作。J: potato intercropped with maize; L: potato-maize rotation; M: continuous cropping of potato; Y: continuous cropping of maize.

通過正交偏最小二乘法共篩選出30種投影重要度(variable importance for the projection)大于1的化感物質并進行了顯著性檢驗(圖3)。馬鈴薯連作土壤硬脂醇、鄰苯二甲酸雙(2-乙基己基)酯、葉綠醇、γ-生育酚含量極顯著高于馬鈴薯-玉米輪作、馬鈴薯||玉米間作、玉米連作土壤, 且除了上述物質外二十烷醇、鄰苯二甲酸二異丁酯、十六烷酸二羥乙基酯、膽固醇、對羥基苯甲醛也與間作土壤差異極顯著。玉米連作土壤2-棕櫚酸甘油酯、2-硬脂酸甘油酯、油酸、亞油酸、十五烷酸、花生酸、木焦油酸、松香酸、十七烷酸、對羥基苯甲醛、2,6-二甲氧基對苯二酚含量極顯著高于馬鈴薯||玉米間作、馬鈴薯-玉米輪作、馬鈴薯連作土壤, 并且玉米連作土壤單棕櫚酸甘油酯、單硬脂酸甘油酯、豆蔻酸甘油酯、鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二異丁酯、γ-生育酚含量極顯著低于馬鈴薯||玉米間作、馬鈴薯-玉米輪作、馬鈴薯連作土壤。

2.2 不同種植方式下土壤細菌多樣性及群落結構變化

利用Illumina公司的Miseq PE300平臺對不同種植模式土壤細菌進行測序, 數據優(yōu)化后12個樣本共獲得330 245條序列, 平均序列數在22 619~30 940, 平均堿基數在15 648 672~19 059 916, 各樣本平均長度在376 bp, 且差異較小, 總體樣本序列長度在211~475 bp(表1)。Sobs是細菌群落豐富度的實際觀測值, Ace指數和Chao指數是兩種常用的對細菌群落豐富度的估計值。Shannon指數和Simpson指數是兩種反映群落多樣性的指數。由表2可知, 間作和輪作的Sobs指數、Ace指數及Chao指數顯著高于馬鈴薯連作和玉米連作, 表明間作和輪作土壤細菌豐富度更高; 而4個處理間Shannon指數和Simpson指數差異較小, 表明不同種植方式下土壤細菌群落多樣性差異較小。各樣本物種覆蓋率均大于0.99, 說明本次測序結果可以反映土壤細菌群落結構的真實情況。

按97%的相似度對樣本非重復序列進行OTU分類, 共鑒定出18門、48綱、121目、201科、354屬、664種, 1 235個OTUs。在樣本中占優(yōu)勢地位, 相對豐度大于1%的門分別是變形菌門(Proteobacteria, 25.2%~27.66%)、放線菌門(Actinobacteria, 21.68%~ 30.39%)、酸桿菌門(Acidobacteria, 14.58%~18.86%)、綠彎菌門(Chloroflexi, 11.67%~13.37%)、浮霉菌門(Planctomycetes, 4.69%~6.07%)、擬桿菌門(Bacteroidetes, 3.45%~4.64%)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes, 2.49%~ 3.21%)、硝化螺旋菌門(Nitrospirae, 1.05%~1.36%), 另有一門尚未歸類(圖4)。輪作土壤中放線菌門所占比例較馬鈴薯連作土壤高8.54% (<0.01), 間作土壤中擬桿菌門所占比例分別較輪作和玉米連作低1.14%(<0.05)、1.19%(<0.05), 玉米連作和馬鈴薯連作土壤中酸桿菌門所占比例分別較輪作高2.68%(<0.05)和4.22%(<0.01)。

由圖5可知相對豐度大于0.5%的菌屬共有33個, 其中有20個菌屬存在顯著性差異。在輪作土壤中溶桿菌屬()、假單胞菌屬()豐度顯著高于其他所有處理。在馬鈴薯連作土壤中硝化螺旋菌屬()、小梨形菌屬(紅游動菌屬()顯著高于其他所有處理,顯著低于其他所有處理。在玉米連作中壤霉菌屬()相對豐度顯著低于其他處理。在間作中, 小梨形菌屬與所有處理均差異顯著。馬鈴薯連作與玉米連作在、小梨形菌屬顯著差異, 間作與兩者均差異顯著, 且豐度在兩者之間。

圖3 馬鈴薯和玉米不同種植方式下土壤化感物質含量比較

J: 馬鈴薯||玉米間作; L: 馬鈴薯-玉米輪作; M: 馬鈴薯連作; Y: 玉米連作。不同大寫字母表示差異顯著(<0.01)。J: potato intercropped with maize; L: potato-maize rotation; M: continuous cropping of potato; Y: continuous cropping of maize. Different capital letters indicate significant differences (< 0.01).

表1 馬鈴薯和玉米不同種植方式樣本測序信息

J: 馬鈴薯||玉米間作; L: 馬鈴薯-玉米輪作; M: 馬鈴薯連作; Y: 玉米連作。不同小寫字母表示差異顯著(<0.05)。J: potato intercropped with maize; L: potato-maize rotation; M: continuous cropping of potato; Y: continuous cropping of maize. Different lowercase letters indicate significant differences (< 0.05).

表2 不同種植方式下土壤細菌Alpha多樣性指數

J: 馬鈴薯||玉米間作; L: 馬鈴薯-玉米輪作; M: 馬鈴薯連作; Y: 玉米連作。不同小寫字母表示差異顯著(<0.05)。J: potato intercropped with maize; L: potato-maize rotation; M: continuous cropping of potato; Y: continuous cropping of maize. Different lowercase letters indicate significant differences (< 0.05).

圖4 馬鈴薯和玉米不同種植方式對土壤細菌群落門水平相對豐度的影響

J: 馬鈴薯||玉米間作; L: 馬鈴薯-玉米輪作; M: 馬鈴薯連作; Y: 玉米連作。J: potato intercropped with maize; L: potato-maize rotation; M: continuous cropping of potato; Y: continuous cropping of maize.

2.3 化感物質含量與細菌豐度相關性分析

對土壤中化感物質和土壤中細菌豐度進行Spearman相關性分析后進行了Average聚類(圖6), 可以看出化感物質大致分為兩類: 一類以脂肪酸類物質為代表, 一類以脂肪醇和酯類物質為代表。其中棕櫚酸、油酸、花生酸、亞油酸等脂肪酸與間孢囊菌屬()、溶桿菌屬、微枝形桿菌屬()、芽球菌屬()、壤霉菌屬、紅游動菌屬、大理石雕菌屬()、黃桿菌屬()、微桿菌屬()等幾乎一半的優(yōu)勢菌屬呈顯著的負相關, 不與任何菌屬呈顯著的正相關。棕櫚酸單甘油酯、硬脂酸單甘油酯類物質和二十三烷醇、二十八烷醇等醇類物質與土微菌屬()、小梨形菌屬呈顯著的正相關。

3 討論

根據Rice對化感物質的分類[3], 本次試驗鑒定出的脂肪醇、脂肪酸、酚類、醛類都屬于化感物質的范疇; 甘油脂類物質尚未見對其化感效應的報道,但由于甘油酯類物質在有水的情況下會分解為甘油和脂肪酸, 所以也是潛在的化感物質儲藏庫。短鏈脂肪酸在有氧情況下可以分解[19], 所以本次研究測定出的主要差異脂肪酸是長鏈脂肪酸。已有研究表明以棕櫚酸為代表的長鏈脂肪酸對植物具有抑制作用[20]。另外雙酚A和鄰苯二甲酸酯類可能不是由植物產生而是由環(huán)境污染產生的富集[21], 但其依然對植物具有負面效應[22]。由圖3可知相對于輪作土壤, 馬鈴薯連作土壤中不是個別化感物質含量升高, 而是整體升高, 其中二十八烷醇和對羥基苯甲醛大幅度升高; 而玉米連作土壤與輪作土壤差異物質較少, 但存在幾種主要物質差異極大, 包括花生酸、木焦油酸、對羥基苯甲醛、2,6-二甲氧基對苯二酚。馬鈴薯連作土壤除硬脂醇、鄰苯二甲酸雙(2-乙基己基)酯、二十烷醇、葉綠醇、亞油酸、γ-生育酚含量顯著高于間作土壤外, 其余成分含量相似; 玉米連作土壤與間作土壤在大多數化感物質含量上有顯著差異, 且花生酸和木焦油酸較間作增加3倍多和5倍多。說明間作和輪作可以降低化感物質在土壤中的積累, 并且從整體上看輪作效果更好。

圖5 馬鈴薯和玉米不同種植方式對優(yōu)勢菌屬(相對豐度>0.5%)相對豐度的影響

J: 馬鈴薯||玉米間作; L: 馬鈴薯-玉米輪作; M: 馬鈴薯連作; Y: 玉米連作。不同小寫字母表示差異顯著(<0.05)。J: potato intercropped with maize; L: potato-maize rotation; M: continuous cropping of potato; Y: continuous cropping of maize. Different lowercase letters indicate significant differences (< 0.05).

圖6 馬鈴薯和玉米土壤化感物質與優(yōu)勢菌屬Spearman相關性分析

*、**和***分別表示0.01<≤0.05、0.001<≤0.01和≤0.001水平顯著相關。*, ** and *** indicate significant correlations at 0.01 <≤0.05, 0.001 <≤ 0.01 and≤ 0.001, respectively.

李國慶等[2]和譚雪蓮[16]研究表明, 馬鈴薯等作物連作會導致土壤細菌豐度降低, 在本研究中馬鈴薯連作和玉米連作降低了土壤細菌群落豐度, 不同種植方式下土壤細菌的成分沒有較大的差異, 差異主要出現在不同菌屬的豐度上。細菌在土壤中扮演著一個非常重要的角色, 具有復雜多樣的生態(tài)功能。溶桿菌屬是一類擁有生防作用的菌屬, 可以通過定殖在馬鈴薯根際分泌抗生素、胞外水解酶等活性物質提高馬鈴薯對病原菌的抵抗能力[23]。微桿菌屬()也可以誘導植物對病害的抗性[24],并通過分泌揮發(fā)性物質促進植物生長[25]。節(jié)桿菌屬()具有多種正向作用, 比如可以分泌吲哚乙酸來促進作物生長[9], 同時還有很強的有機物降解能力[26], 并有報道節(jié)桿菌降解鄰苯二甲酸二丁酯和鄰苯二甲酸雙(2-乙基己基)酯[27]。紅球菌屬()可以通過分泌有機酸溶解土壤中的磷酸鈣, 從而增強土壤中磷的有效性[28]。在本研究中節(jié)桿菌屬、溶桿菌屬、微桿菌屬在輪作土壤中擁有更高的豐度。輪作中紅球菌屬與馬鈴薯連作和玉米連作土壤差異顯著。所以輪作提高了土壤中一些有益菌屬豐度。間作降低了不同連作中差異菌屬, 如小梨形菌屬等的豐度。有研究表明小梨形菌屬與大豆()生物量呈負相關[29], 說明間作可以降低有害菌屬在土壤中的富集。

土壤優(yōu)勢菌屬與土壤化感物質含量存在顯著的相關關系。在連作土壤中出現了脂肪酸和脂肪醇類物質的積累, 而脂肪酸與黃桿菌屬、溶桿菌屬、微桿菌屬等大多數優(yōu)勢菌屬呈顯著的負相關; 脂肪醇與土微菌屬、小梨形菌屬呈顯著的正相關、與節(jié)桿菌屬呈顯著的負相關。已有報道油酸、亞油酸在較低濃度即對革蘭氏陽性菌有抑制效果[30]。在本次研究中溶桿菌屬、節(jié)桿菌屬、微桿菌屬都屬于革蘭氏陽性菌。雖然黃桿菌屬是革蘭氏陰性菌, 但是Wolińska等[31]的研究認為黃桿菌屬對農業(yè)活動敏感。表明溶桿菌屬、微桿菌屬等對脂肪酸類物質敏感, 而小梨形菌屬、土微菌屬對脂肪酸類物質具有抗性并且脂肪醇類物質有助于其豐度的升高。

4 結論

馬鈴薯連作和玉米連作產生了多種化感物質的積累, 并且存在作物種類的差異, 馬鈴薯連作相對玉米連作積累了更多的二十八烷醇、蠟醇、二十四烷醇、硬脂醇脂等脂肪醇類物質, 而玉米連作積累了更多的油酸、亞油酸、花生酸、木焦油酸等脂肪酸類物質。

連作還導致了土壤中細菌多樣性的降低和群落結構的改變, 其中對化感物質敏感型細菌如黃桿菌屬、微桿菌屬等減少, 小梨形菌屬等耐受型細菌增加。玉米與馬鈴薯復合種植可以減少化感物質在土壤中的積累, 從而抑制了土壤細菌多樣性的減少, 有利于克服連作障礙, 且輪作的效果好于間作。

[1] 李立軍. 中國耕作制度近50年演變規(guī)律及未來20年發(fā)展趨勢研究[D]. 北京: 中國農業(yè)大學, 2004: 149–150 LI L J. Involving regularities in recent 50 years and future trends in 2020 on farming system in China[D]. Beijing: China Agricultural University, 2004: 149–150

[2] 李國慶, 郭華春. 連作對馬鈴薯根際土壤細菌群落結構的影響[J]. 分子植物育種, 2014, 12(5): 914–928 LI G Q, GUO H C. Effect ofon the rhizosphere soil bacteria community structure[J]. Molecular Plant Breeding, 2014, 12(5): 914–928

[3] RICE E L. Allelopathy[M]. 2nd ed. New York: Academic Press, 1984

[4] TSUZUKI E, YAMAMOTO Y, SHIMIZU T. Fatty acids in buckwheat are growth inhibitors[J]. Annals of Botany, 1987, 60(1): 69–70

[5] 劉蘋, 趙海軍, 仲子文, 等. 三種根系分泌脂肪酸對花生生長和土壤酶活性的影響[J]. 生態(tài)學報, 2013, 33(11): 3332–3339 LIU P, ZHAO H J, ZHONG Z W, et al. The effects of three root exudated fatty acids on peanut (L.) growth and soil enzymes activities[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(11): 3332–3339

[6] 吳慶利, 陳慶文, 黃文靜, 等. 蜂巢中長鏈脂肪醇的提取及抑菌作用研究[J]. 淮海工學院學報: 自然科學版, 2017, 26(3): 30–33 WU Q L, CHEN Q W, HUANG W J, et al. Study on extraction and antibacterial activity of long chain fat alcohol in honeycomb[J]. Journal of Huaihai Institute of Technology: Natural Science Edition, 2017, 26(3): 30–33

[7] CASTRILLO G, TEIXEIRA P J P L, PAREDES S H, et al. Root microbiota drive direct integration of phosphate stress and immunity[J]. Nature, 2017, 543(7646): 513–518

[8] BULGARELLI D, SCHLAEPPI K, SPAEPEN S, et al. Structure and functions of the bacterial microbiota of plants[J]. Annual Review of Plant Biology, 2013, 64(1): 807–838

[9] LI M S, GUO R, YU F, et al. Indole-3-acetic acid biosynthesis pathways in the plant-beneficial bacteriumZZ21[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2018, 19(2): 443

[10] KWAK M J, KONG H G, CHOI K, et al. Author correction: Rhizosphere microbiome structure alters to enable wilt resistance in tomato[J]. Nature Biotechnology, 2018, 36(11): 1117

[11] LI X G, DING C F, HUA K, et al. Soil sickness of peanuts is attributable to modifications in soil microbes induced by peanut root exudates rather than to direct allelopathy[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2014, 78: 149–159

[12] 何天久, 吳巧玉, 曾憲浩, 等. 馬鈴薯連作障礙形成機制與調控措施研究進展[J]. 江蘇農業(yè)科學, 2016, 44(4): 1–4 HE T J, WU Q Y, ZENG X H, et al. Research progress on formation mechanism and control measures of potato continuous cropping obstacles[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2016, 44(4): 1–4

[13] 陳玲, 董坤, 楊智仙, 等. 連作障礙中化感自毒效應及間作緩解機理[J]. 中國農學通報, 2017, 33(8): 91–98 CHEN L, DONG K, YANG Z X, et al. Allelopathy autotoxcity effect of successive cropping obstacle and its alleviate mechanism by intercropping[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2017, 33(8): 91–98

[14] WANG Z G, BAO X G, LI X F, et al. Intercropping maintains soil fertility in terms of chemical properties and enzyme activities on a timescale of one decade[J]. Plant and Soil, 2015, 391(1/2): 265–282

[15] 何志貴. 半夏連作障礙發(fā)生機制與輪作修復研究[D]. 楊凌: 西北農林科技大學, 2019: 38–50 HE Z G. Mechanism of continuous cropping obstacles and crop rotation restoration in[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2019: 38–50

[16] 譚雪蓮. 輪作模式下馬鈴薯土壤微生物多樣性、酶活性及根系分泌物的研究[D]. 蘭州: 甘肅農業(yè)大學, 2016: 20–25 TAN X L. Study on soil microbial diversity, metabolic enzyme activity and root exudate accumulated features of potato under different rotation cropping patterns[D]. Lanzhou: Gansu Agricultural University, 2016: 20–25

[17] 徐楊斌, 冒德壽, 王德懿, 等. 基于保留指數的GC- TOF/MS法分析纈草油中揮發(fā)性成分[J]. 香料香精化妝品, 2018, (5): 1–5 XU Y B, MAO D S, WANG D Y, et al. Analysis of volatile components in valerian oil by GC-TOF/MS based on retention index[J]. Flavour Fragrance Cosmetics, 2018, (5): 1–5

[18] 何小燕, 田洪磊, 詹萍, 等. 雞肉香精最適風味前體PLSR分析與研究[J]. 現代食品科技, 2016, 32(10): 268–275 HE X Y, TIAN H L, ZHAN P, et al. Analysis and study of the desirable precursor of the chicken flavor based on PLSR[J]. Modern Food Science and Technology, 2016, 32(10): 268–275

[19] MANDAVA N B. Chemistry and biology of allelopathic agents[C]//American Chemical Society. The Chemistry of Allelopathy. Washington: ACS Publications, 1985: 33–54

[20] 張文明, 邱慧珍, 張春紅, 等. 不同連作年限馬鈴薯根系分泌物的成分鑒定及其生物效應[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報, 2018, 26(12): 1811–1818 ZHANG W M, QIU H Z, ZHANG C H, et al. Identification of chemicals in potato root exudates under different years of continuous cropping and their biologic effects[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(12): 1811-1818

[21] STAPLES C A, PETERSON D R, PARKERTON T F, et al. The environmental fate of phthalate esters: A literature review[J]. Chemosphere, 1997, 35(4): 667–749

[22] 王慶慶, 聶麗軍, 王湦曼, 等. 雙酚A對植物影響的研究進展[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報, 2014, 22(9): 1002–1009 WANG Q Q, NIE L J, WANG S M, et al. Advances in the effects of bisphenol A on plants[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2014, 22(9): 1002–1009

[23] 姬廣海. 溶桿菌屬及其在植物病害防治中的研究進展[J]. 云南農業(yè)大學學報, 2011, 26(1): 124–130 JI G H. Advances in the study onspp. bacteria and their effects on biological control of plant diseases[J]. Journal of Yunnan Agricultural University, 2011, 26(1): 124–130

[24] YUAN J, ZHAO J, WEN T, et al. Root exudates drive the soil-borne legacy of aboveground pathogen infection[J]. Microbiome, 2018, 6(1): 156

[25] CORDOVEZ V, SCHOP S, HORDIJK K, et al. Priming of plant growth promotion by volatiles of root-associatedspp.[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2018, 84(22): e01865-18

[26] 李娟, UWAREMWE C, 冷艷, 等. 節(jié)桿菌屬細菌處理有機物和重金屬污染物的研究進展[J]. 環(huán)境科學與技術, 2017, 40(10): 89–97 LI J, UWAREMWE C, LENG Y, et al. Progress on the study of biodegradation of organic pollutants and adsorption of heavy metals withstrains[J]. Environmental Science & Technology, 2017, 40(10): 89–97

[27] 梁浩花, 陶紅, 王亞娟, 等. 一株鄰苯二甲酸二丁酯和鄰苯二甲酸二(2-乙基己基)酯降解菌的篩選鑒定與降解特性[J]. 浙江農業(yè)學報, 2019, 31(7): 1145–1153 LIANG H H, TAO H, WANG Y J, et al. Isolation, identification and degradation characteristics of a dibutyl phthalate and di-(2-ethylhexyl) phthalate degrading bacterium[J]. Acta Agriculturae Zhejiangensis, 2019, 31(7): 1145–1153

[28] CHEN Y P, REKHA P D, ARUN A B, et al. Phosphate solubilizing bacteria from subtropical soil and their tricalcium phosphate solubilizing abilities[J]. Applied Soil Ecology, 2006, 34(1): 33–41

[29] 肖瀟. 豆科植物根際和根瘤內生細菌群落結構、變化規(guī)律及其影響因素研究[D]. 楊凌: 西北農林科技大學, 2017: 26XIAO X. The structure, variation and influence factors of leguminous plant rhizosphere and nodule endosphere microbiome[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2017: 26

[30] DILIKA F, BREMNER P D, MEYER J J M. Antibacterial activity of linoleic and oleic acids isolated from: A plant used during circumcision rites[J]. Fitoterapia, 2000, 71(4): 450–452

[31] WOLI?SKA A, KU?NIAR A, ZIELENKIEWICZ U, et al. Indicators of arable soils fatigue–Bacterial families and genera: A metagenomic approach[J]. Ecological Indicators, 2018, 93: 490–500

Effects of potato and maize compound planting on soil allelochemicals and soil bacterial community structure*

LIU Xianwen, GUO Huachun**

(Root & Tuber Crops Research Institute, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China)

To investigate the effects of potato and maize compound planting on allelochemicals accumulation and bacterial community structure, soil samples from continuous potato cropping, continuous maize cropping, potato and maize intercropping, and potato-maize rotation were collected in the eighth year of the experiment. Allelochemicals extracted from the soil were determined by GC-MS. Then, Illumina Miseq high-throughput sequencing technology was used to sequence the 16Sr DNA V4-V5 regions of soil bacteria to analyze changes in soil bacterial diversity and community structure. The results showed that: 1) continuous cropping of maize and potatoes led to the accumulation of allelochemicals, 2) continuous maize cropping caused soil to accumulate more fatty acids such as oleic acid, linoleic acid, eicosanoic acid, and lignoceric acid, and 3) potato continuous cropping produced soil with more accumulated fatty alcohols such as 1-octadecanol and 1-eicosanol. Rotation reduced the accumulation of most allelochemicals, and the number of allelochemicals that were reduced by intercropping was smaller than that by rotation. The soil bacteria community structure changed significantly among different planting patterns. Compared with continuous cropping, intercropping and rotation had higher Ace and Chao indices. At the phylum level, the abundance of Actinobacteria was significantly higher under rotation than under continuous cropping of potato, the abundance of Bacteroides was significantly lower under intercropping than under continuous cropping of maize, and the abundance of Acidobacteria was significantly higher under both potato and maize continuous cropping than under rotation cropping. At the genus level, some beneficial bacteria such asandwere relatively more abundant in compound planting soils. Through correlation analysis, it was found that the abundances ofandgenera were significantly positively correlated with fatty alcohols, and that of,, andgenera were significantly negatively correlated with fatty acids. Compound planting of potato and maize reduced the accumulation of allelochemicals in the soil, thus inhibiting reduction in soil bacterial abundance, increasing the abundance of beneficial bacteria, and ameliorating the issues associated with continuous cropping.

Potato; Maize; Continuous cropping obstacle; Rotation; Intercropping; Allelochemical; Soil bacteria

S154.3; S512.11

10.13930/j.cnki.cjea.190780

劉賢文, 郭華春. 馬鈴薯與玉米復合種植對土壤化感物質及土壤細菌群落結構的影響[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報(中英文), 2020, 28(6): 794-802

LIU X W, GUO H C.Effects of potato and maize compound planting on soil allelochemicals and soil bacterial community structure[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(6): 794-802

* 國家馬鈴薯產業(yè)體系(CARS-09-P15)和云嶺學者專項資助

郭華春, 主要研究方向為薯類作物栽培生理與育種。E-mail: ynghc@126.com

劉賢文, 主要研究方向為作物生理與調控。E-mail: 459645090@qq.com

2019-11-05

2020-03-13

* This study was supported by the National Potato Industry Technology System of China (CARS-09-P15) and Yunling Scholar Project.

, E-mail: ynghc@126.com

Nov. 5, 2019;

Mar. 13, 2020