吳罡騰 朱劍輝 李榮喜 賀立紅 董斌 劉文

摘要：為了揭示甘蔗鳳梨不同耕作方式對(duì)根際土壤中細(xì)菌群落的影響，本研究借助高通量測序技術(shù)，對(duì)未耕作（CK）、甘蔗連作（S）、鳳梨連作（P）、甘蔗-鳳梨輪作（SP）和鳳梨-甘蔗輪作（PS）5種耕作方式的根際土壤樣品進(jìn)行16S rDNA測序分析。結(jié)果表明，與未耕作組相比，甘蔗和鳳梨連作后OTU分別為1 207個(gè)和1 353個(gè)，土壤細(xì)菌的OTU呈上升趨勢；甘蔗和鳳梨輪作（PS、SP）后OTU下降，分別為1 067個(gè)和1 048個(gè)；輪作與連作相比，特有的OTU明顯降低。與連作相比，輪作可以提高酸桿菌門、髕骨菌門、未辨別出的AD3菌屬以及未辨別出的酸桿菌屬的相對(duì)豐度，同時(shí)能夠降低擬桿菌門、浮霉菌門、疣微菌門、黃色土源菌屬、念珠菌屬以及未辨別出的芽單胞菌屬的相對(duì)豐度。通過BugBase表型預(yù)測，輪作可以提高土壤中好氧細(xì)菌和細(xì)菌在生物膜形成上的相對(duì)豐度，同時(shí)能夠降低厭氧細(xì)菌的相對(duì)豐度。這些有益菌的富集，抑制了病原菌的活性，導(dǎo)致細(xì)菌菌落物種數(shù)量的減少和豐度的降低，影響土壤中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成。因此，甘蔗鳳梨輪作可以改善土壤中細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)，有效緩解甘蔗/鳳梨的連作障礙。

關(guān)鍵詞：甘蔗；鳳梨；輪作；土壤細(xì)菌；群落結(jié)構(gòu)；連作障礙

中圖分類號(hào)：S154.3；S182；S344.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2023）16-0202-08

收稿日期：2022-09-04

基金項(xiàng)目：廣東省高校重點(diǎn)科研平臺(tái)項(xiàng)目（編號(hào)：2019KZDZX2035、2020GCZX009）；廣東省甘蔗劍麻產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（編號(hào)：2021KJ104-10）；廣東農(nóng)工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院熱帶作物應(yīng)用技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：XJZX1902）；廣州市基礎(chǔ)研究計(jì)劃基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（編號(hào)：202102080555、202102080544）；廣東省普通高校特色創(chuàng)新項(xiàng)目（編號(hào)：2019GKTSCX055）。

作者簡介：吳罡騰（1998—），男，廣東梅州人，碩士研究生，研究方向?yàn)樽魑镞z傳育種。E-mail：1225539138@qq.com。

通信作者：董 斌，博士，副教授，主要從事作物學(xué)、園林植物應(yīng)用研究，E-mail：bbeenn@163.com；劉 文，博士，講師，主要從事熱帶作物種質(zhì)資源保護(hù)與利用研究，E-mail：wenliu@gdaib.edu.cn。

甘蔗和鳳梨是我國熱帶地區(qū)重要的2種熱帶經(jīng)濟(jì)作物。甘蔗是一種重要的熱帶和亞熱帶無性繁殖作物，在全球多個(gè)地區(qū)都有廣泛種植，其糖產(chǎn)量約占目前世界糖總產(chǎn)量的80%^［1］。除了作為制糖原料外，它也是乙醇和柴油的最有效原料，已經(jīng)被公認(rèn)為重要的能源和生物燃料作物，其產(chǎn)量占世界生物燃料總產(chǎn)量的40%。此外，從甘蔗生產(chǎn)中也可獲得其他有價(jià)值的副產(chǎn)品，如紙張、生物酶等^［2］。鳳梨別稱菠蘿，含有大量的生物活性化合物、膳食纖維、礦物質(zhì)和營養(yǎng)元素，此外它在抗炎、抗氧化活性、監(jiān)測神經(jīng)系統(tǒng)功能等方面也發(fā)揮著重要功能，對(duì)人體健康有不少的益處^［3］。國際市場對(duì)菠蘿的需求很大，僅在香蕉和柑橘之后，排名第三。其副產(chǎn)品可生產(chǎn)蛋白酶、纖維素納米晶體，也可以作葡萄酒、有機(jī)酸的原料，在食品、紡織工業(yè)等方面潛力巨大^［4］。

微生物是土壤中最活躍的組成部分，不僅推動(dòng)著土壤中物質(zhì)以及養(yǎng)分的循環(huán)轉(zhuǎn)化，同時(shí)也維持著土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和平衡^［5］。細(xì)菌是土壤微生物中重要的組成部分，其群落結(jié)構(gòu)組成的變化能夠反映土壤性質(zhì)以及微生態(tài)的改變趨勢^［6］，還會(huì)直接影響農(nóng)作物的生長和最終產(chǎn)量^［7］。不同經(jīng)濟(jì)作物連作的研究結(jié)果表明，連作會(huì)導(dǎo)致土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì)的變化。百香果連作會(huì)隨著年限的增加，導(dǎo)致土壤的pH值不斷下降，微生物類群會(huì)從細(xì)菌型向真菌型轉(zhuǎn)化^［8］；馬鈴薯連作會(huì)導(dǎo)致土壤細(xì)菌中變形菌門、放線菌門以及酸桿菌門等優(yōu)勢菌門相對(duì)豐度的改變，并降低有益真菌如種群子囊菌門的數(shù)量^［9］；甘蔗連作會(huì)導(dǎo)致根際土壤氮和硫循環(huán)功能相關(guān)的細(xì)菌減少，有效氮含量、總硫含量、蔗糖含量以及最終產(chǎn)量降低^［10］；鳳梨連作則會(huì)導(dǎo)致土壤中細(xì)菌群落多樣性指數(shù)升高，提高門、屬水平土壤細(xì)菌群落的相對(duì)豐度，土壤pH值也隨之降低^［11］。

作物輪作是緩解連作障礙發(fā)生的有效防治方法之一^［12］，對(duì)土壤會(huì)產(chǎn)生積極影響，利于有益菌的富集，改善土壤的微生態(tài)和減少土壤病害的發(fā)生，能給農(nóng)作物產(chǎn)量的增加和品質(zhì)的提升提供助力。不同作物與甘蔗輪作后，可以顯著改善種植條件和降低作物病害的發(fā)生。甘蔗與花生輪作可提高有益菌數(shù)量和土壤酶活性^［13］，甘蔗與玉米輪作可提高土壤中全氮、有效磷等土壤養(yǎng)分含量^［14］，甘蔗與香蕉的輪作可促進(jìn)香蕉生長，降低香蕉枯萎病的發(fā)病率^［15］，甘蔗與大豆的輪作則可增加細(xì)菌和古菌生物量并抑制硝化微生物的活性^［16］。關(guān)于與鳳梨輪作種植的報(bào)道則較少，但輪作后可以顯著改善作物的種植環(huán)境。鳳梨與桉樹輪作利于土壤團(tuán)聚體形成、增大土壤透性^［17］，鳳梨與香蕉輪作可以顯著增加根際中具有生防作用和促生作用的有益菌數(shù)量^［18］。鳳梨與甘蔗之間進(jìn)行輪作是一個(gè)比較成熟的輪作模式，前期已有研究表明，這種輪作方式可以提高菠蘿和甘蔗的產(chǎn)量和產(chǎn)值，同時(shí)也提高了地力，減少肥料的使用量，降低生產(chǎn)成本^［19］。

本研究利用高通量測序技術(shù)，通過比較不同耕作方式下，甘蔗/鳳梨輪作和甘蔗/鳳梨連作細(xì)菌群落之間的差異，分析根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，旨在為改良甘蔗和菠蘿產(chǎn)區(qū)的土壤環(huán)境狀況、選擇出合理的耕作方式以及土壤中根際促生菌的開發(fā)和利用提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

甘蔗品種為桂糖49，鳳梨品種為臺(tái)農(nóng)16。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 以甘蔗與鳳梨為試驗(yàn)種植作物，試驗(yàn)地點(diǎn)位于廣東省湛江市廣墾糖業(yè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中心（109°40′～110°25′E，21°00′～20°31′N）。于2019年2月和2020年2月開展種植試驗(yàn)，設(shè)置未耕作作物組（CK）、鳳梨連作組（P）、甘蔗連作組（S）、鳳梨—甘蔗輪作組（PS）、甘蔗—鳳梨輪作組（SP）共5種耕作方式，采用隨機(jī)區(qū)組排列，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。

1.2.2 樣品采集 在2021年7月選擇不同耕作方式下的各區(qū)組，隨機(jī)采集附著于種植區(qū)作物地下部分的土壤樣品，做好對(duì)應(yīng)標(biāo)記后立即置于干冰中進(jìn)行低溫保存，隨后將采集到的所有樣品及時(shí)送至北京百邁客生物科技有限公司進(jìn)行測序。

1.2.3 建庫測序與數(shù)據(jù)預(yù)處理 提取樣品的總DNA后，根據(jù)全長引物序列合成帶有條形碼的特異引物，進(jìn)行PCR擴(kuò)增并對(duì)其產(chǎn)物進(jìn)行純化、定量和均一化形成測序文庫，對(duì)建好的文庫進(jìn)行質(zhì)檢，合格的文庫用PacBio Sequel進(jìn)行測序。通過smrtlink分析軟件將PacBio Sequel下機(jī)數(shù)據(jù)導(dǎo)出為CCS文件，并根據(jù)條形碼序列識(shí)別不同樣品的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)化為FASTQ格式數(shù)據(jù)。對(duì)PacBio Sequel下機(jī)數(shù)據(jù)導(dǎo)出的CCS文件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，進(jìn)行CCS識(shí)別、過濾以及去除嵌合體，分別得到原始序列數(shù)據(jù)、過濾的序列數(shù)據(jù)以及最終的有效序列數(shù)據(jù)。

1.2.4 測序數(shù)據(jù)分析 使用Usearch軟件，選擇相似度水平不低于97.0%的測序序列進(jìn)行聚類獲得分類操作單位（OTU）并繪制樣品的差異韋恩（Venn）圖；通過序列數(shù)、長度、覆蓋度、細(xì)菌稀釋曲線對(duì)測序數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)；以SILVA為參考數(shù)據(jù)庫使用樸素貝葉斯分類器對(duì)特征序列進(jìn)行分類學(xué)注釋，得到分類信息并統(tǒng)計(jì)不同樣品的群落組成，用QIIME軟件生成不同分類水平上的物種豐度后用R語言繪制不同樣品的群落結(jié)構(gòu)圖；使用QIIME 2軟件對(duì)不同樣品細(xì)菌的α多樣性指數(shù)進(jìn)行評(píng)估，包括ACE指數(shù)、Chao1指數(shù)、Shannon指數(shù)以及Simpson指數(shù)；以binary-jaccard算法計(jì)算不同樣品間的矩陣距離，構(gòu)建非加權(quán)組平均法（UPGMA）聚類樹；利用主坐標(biāo)分析（PCoA）法展示不同樣品的差異；基于不同樣本的OTU，使用BugBase軟件進(jìn)行細(xì)菌的表型預(yù)測分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 根際土壤細(xì)菌基因組測序評(píng)價(jià)

根際土壤細(xì)菌基因組測序結(jié)果見表1，通過不同樣品的序列數(shù)、序列長度等測序的參數(shù)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)中所有樣品經(jīng)過質(zhì)控后，樣品平均序列長度基本在1 400 bp以上，有效率都在85%以上（表1）。隨著測序數(shù)量的增加，不同樣品的稀釋性曲線均已趨于平緩（圖1），土壤中的細(xì)菌種類并不會(huì)隨測序數(shù)量的增多而顯著增加，表明各樣本測序量已經(jīng)足夠充分。所有樣品的測序結(jié)果較好，可以進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

2.2 不同耕作方式下土壤細(xì)菌OTU分布

根據(jù)97%的序列相似性水平進(jìn)行聚類，獲得不同樣品的OTU，所有樣品共產(chǎn)生1 798個(gè)OTU。由圖2所有樣品的OTU可知，連作與未耕作組相比，甘蔗連作組的OTU數(shù)量較少，鳳梨連作組的OTU則較高，這表明甘蔗連作可減少土壤中細(xì)菌物種數(shù)量，而鳳梨輪作增加了土壤中細(xì)菌物種數(shù)量。輪作組的OTU數(shù)量均低于未耕作組和連作組，表明輪作能夠降低根際土壤中細(xì)菌的物種數(shù)量。

通過Venn圖的繪制，發(fā)現(xiàn)所有樣品共有的OTU為484個(gè)，占總體OTU的26.92%（圖3）。甘蔗連作與鳳梨連作的特有OTU分布中，P處理特有OTU為394個(gè)，S處理特有OTU為248 個(gè)，這表明對(duì)土壤中細(xì)菌數(shù)量的變化與連作的作物有關(guān)。輪作特有OTU分布中，SP特有OTU為259個(gè)，PS特有OTU為280個(gè)，這表明輪作時(shí)種植作物相同但前茬作物不同時(shí)，仍然存在一定程度的差異。與CK相比，不同耕作組特有的OTU也存在差異，PS獨(dú)有的OTU為291個(gè)，SP獨(dú)有的OTU為281個(gè)，S獨(dú)有的OTU為345個(gè)，P獨(dú)有的OTU為340個(gè)，這表明鳳梨與菠蘿之間輪作中特有OTU數(shù)量明顯低于甘蔗連作與鳳梨連作。因此，同連作相比，輪作可以有效降低根際土壤中的細(xì)菌特有種類數(shù)量。

2.3 不同耕作方式下根際土壤細(xì)菌α多樣性分析

不同耕作方式下，土壤樣品細(xì)菌群落α多樣性會(huì)發(fā)生不同程度的改變（表2）。所有樣品的覆蓋率均超過97%，表明絕大部分細(xì)菌種群都被檢測出來。根際土壤中細(xì)菌的菌群豐度可以通過ACE和Chao1指數(shù)進(jìn)行估算，數(shù)值越高則代表著菌群的豐度越高。在不同耕作方式下，所有樣品的ACE指數(shù)為814.940 7～1 035.633 7，Chao1指數(shù)為 804.484 8～1 054.644 1。不同輪作下，發(fā)現(xiàn)甘蔗連作的ACE指數(shù)和Chao1指數(shù)都高于未耕作組，而鳳梨連作卻略低于未耕作組，這表明不同作物的輪作對(duì)根際土壤細(xì)菌的菌種豐度的影響不同，既可以降低也可以提高。與未耕作組、連作組相比，輪作組樣品的ACE指數(shù)和Chao1指數(shù)都有所降低，這表明輪作可以有效降低根際土壤細(xì)菌菌群的豐度。根際土壤中的物種多樣性則可用Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)來衡量，其數(shù)值越大則代表物種的多樣性越高。在不同耕作方式下，所有樣品的Shannon指數(shù)為6.656 6～8.403 8，Simpson指數(shù)為0.913 1～0.992 7。與未耕作組相比，其他4組處理樣品的Simpson指數(shù)都有所降低，表明連作和輪作都可以降低土壤中的菌落多樣性。甘蔗－鳳梨輪作的Simpson指數(shù)和Shannon指數(shù)遠(yuǎn)低于其他樣品，而鳳梨—甘蔗輪作的Simpson指數(shù)和Shannon指數(shù)雖然有所降低，但基本和CK相差不大，這表明雖然輪作的作物相同，但輪作方式的不同也會(huì)造成土壤中細(xì)菌的多樣性變化不一致。

2.4 不同耕作方式下根際土壤細(xì)菌群落組成及相對(duì)豐度分析

在門分類水平的細(xì)菌群落組成上（圖4），不同耕作模式下的10個(gè)優(yōu)勢菌門分別是變形菌門（22.28%～43.94%）、擬桿菌門（0.89%～24.13%）、酸桿菌門（7.02%～23.70%）、綠彎菌門（7.08%～15.13%）、疣微菌門（0.72%～9.31%）、放線菌門（6.72%～9.24%）、芽單胞菌門（1.30%～8.4%）、浮霉菌門（1.20%～3.84%）、厚壁菌門（0.42%～3.60%）、髕細(xì)菌門（2.11%～3.15%）。

這些優(yōu)勢菌門中，耕作后變形菌門的相對(duì)豐度均高于未耕作組，這表明輪作與連作均可以提高土壤中變形菌門的相對(duì)豐度。不同耕作模式下酸桿菌門和髕骨菌門的相對(duì)豐度存在差異，在鳳梨連作中占比分別為20.51%、2.15%，甘蔗連作中占比為7.02%、2.36%，鳳梨—甘蔗輪作中占比22.70%、3.15%，甘蔗—鳳梨輪作中則達(dá)到了21.37%、2.69%，其中輪作的相對(duì)豐度均高于連作，這表明輪作與連作相比，能有效提高土壤中酸桿菌門和髕骨菌門的相對(duì)豐度。此外，與連作相比，輪作能降低擬桿菌門、疣微菌門和浮霉菌門的相對(duì)豐度。

在屬分類水平的細(xì)菌群落組成上（圖5），不同耕作模式下的10個(gè)優(yōu)勢菌屬分別是褚氏桿菌屬（0.10%～22.91%）、黃色土源菌屬（0.06%～16.53%）、念珠菌屬（0.02%～7.48%）、未辨別出的酸桿菌（1.76%～7.42%）、未辨別出的JG30-KF-AS9菌屬（0.61%～7.14%）、未辨別出的AD3菌屬（2.45%～6.68%）、未辨別出的Elsterales菌屬（0.88%～5.35%）、未辨別出的芽單胞菌屬（1.03%～5.06%）、鞘氨醇菌屬（1.28%～4.94%）、苔蘚桿菌屬（2.03%～3.71%）。

在優(yōu)勢菌屬中發(fā)現(xiàn)，與未耕作組相比，連作和輪作都會(huì)使褚氏桿菌屬的相對(duì)豐度升高，使未辨別出的AD3菌屬、未辨別出的芽單胞菌屬以及念珠菌屬的相對(duì)豐度降低。輪作與連作相比，可以提高未辨別出的AD3菌屬以及未辨別出的酸桿菌屬的相對(duì)豐度，同時(shí)也降低了黃色土源菌屬、念珠菌屬以及未辨別出的芽單胞菌屬的相對(duì)豐度。

2.5 土壤細(xì)菌群落組成PCoA及豐度UPGMA聚類分析

利用PCoA方法分析不同樣品，進(jìn)一步展示不同耕作模式下樣品之間物種多樣性的差異（圖6）。其中主成分1以及主成分2對(duì)所有樣品的貢獻(xiàn)值分別為26.90%、16.03%。未耕作組與鳳梨連作組之間的距離最近，且與甘蔗連作組也相對(duì)較近；輪作組與未耕作組、連作組相隔較遠(yuǎn)。基于β多樣性并采用UPGMA對(duì)所有樣品進(jìn)行層次聚類，展示不同耕作模式下樣品之間物種組成相似性（圖7）。細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)相似度高的未耕作組、連作組聚類在一起，另一個(gè)分支聚類到的則是輪作組，這與主坐標(biāo)分析的結(jié)果一致。

2.6 BugBase表型預(yù)測

基于16S rRNA基因序列，利用BugBase軟件預(yù)測不同耕作方式下土壤根際細(xì)菌群落的表型變化（圖8）。在好氧細(xì)菌相對(duì)豐度上，輪作組的相對(duì)豐度較其他處理組更高；而在厭氧菌相對(duì)豐度上，甘蔗連作、鳳梨連作與未耕作組的相對(duì)豐度較高，而輪作組都明顯低于其他處理組，尤其是其中的甘蔗—鳳梨輪作耕作模式；在兼性厭氧細(xì)菌相對(duì)豐度上，輪作組的相對(duì)豐度低于連作組；在生物膜形成上，連作組相對(duì)豐度明顯高于其他處理組，而連作組與未耕作組相比，有高有低，這可能由種植不同作物其根系分泌物導(dǎo)致。以上結(jié)果表明，與連作相比，輪作可以提高好氧菌的相對(duì)豐度，降低厭氧菌和兼性厭氧菌的豐度，并利于細(xì)菌細(xì)胞生物膜的形成。

3 討論

土壤是支撐地球生命的關(guān)鍵要素之一，而土壤微生物則是維持植物生物量生產(chǎn)和植物健康的基本組成部分之一。不同耕作模式對(duì)細(xì)菌群落的影響明顯^［20］。在耕作的土壤中，某些細(xì)菌類群數(shù)量增加，具有促進(jìn)植物生長或降解潛在土壤化感物質(zhì)的作用，與土壤修復(fù)密切相關(guān)，在緩解土壤病害方面有潛在的應(yīng)用價(jià)值。長期連作導(dǎo)致土壤細(xì)菌群落特別是有益菌群的多樣性和豐度降低，細(xì)菌群落功能的簡化是土壤病害發(fā)生的主要原因^［21］。甘蔗連作會(huì)對(duì)不同質(zhì)地土壤有機(jī)碳組分產(chǎn)生不同程度的影響^［22］，且連續(xù)連作甘蔗會(huì)對(duì)不同再生年限根際細(xì)菌群落特征產(chǎn)生影響^［23］；鳳梨連續(xù)連作會(huì)影響菠蘿園土壤中養(yǎng)分的比例，導(dǎo)致土壤中可培養(yǎng)微生物數(shù)量失調(diào)以及菠蘿產(chǎn)量的持續(xù)下降^［24］。

從OTU數(shù)量上看，輪作組的OTU數(shù)量均低于連作組和未耕作組，表明輪作后能夠有效降低土壤中細(xì)菌的種類數(shù)量，這與前人研究發(fā)現(xiàn)菠蘿—甘蔗輪作后可以降低土壤細(xì)菌數(shù)量的結(jié)論^［19］相符。根據(jù)OTU分布來繪制Venn圖以分析所有樣本之間共有、特有的OTU。所有樣品共有的OTU為484個(gè)，占總體OTU的26.92%，從輪作獨(dú)有的OTU分布可以發(fā)現(xiàn)，鳳梨甘蔗之間輪作中特有OTU數(shù)量明顯低于甘蔗連作與鳳梨連作，可以有效減少土壤細(xì)菌中特有菌群的數(shù)量。從細(xì)菌α多樣性相關(guān)指數(shù)來看，連作和輪作都可以有效降低土壤中的菌落多樣性，而輪作則可以有效降低菌群豐度。此外本研究發(fā)現(xiàn)，甘蔗—鳳梨輪作比甘蔗連作的降低幅度大于鳳梨—甘蔗輪作比鳳梨連作的降低幅度，這表明即使輪作種植相同作物時(shí)，種植順序的先后也會(huì)影響土壤中細(xì)菌的多樣性。因此，與連作相比，鳳梨與甘蔗輪作可以有效減少根際土壤細(xì)菌物種數(shù)量并降低物種豐富度。

種植作物的改變可以為某些特異性細(xì)菌提供適宜生存環(huán)境，而細(xì)菌的富集或減少又會(huì)影響到種植作物的生長^［25］。與連作不同的是，輪作可以增強(qiáng)有益菌落的富集，并抑制病原菌存活，可實(shí)現(xiàn)作物最終穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)的目標(biāo)^［26-27］。本研究通過分析不同耕作模式下的根際土壤細(xì)菌群落組成結(jié)構(gòu)及各分類菌落的相對(duì)豐度，發(fā)現(xiàn)輪作與連作相比，不僅能有效提高土壤中酸桿菌門、髕骨菌門、未辨別出的AD3菌屬以及未辨別出的酸桿菌屬的相對(duì)豐度，同時(shí)還降低了土壤中擬桿菌門、疣微菌門、浮霉菌門、黃色土源菌屬、未辨別出的芽單胞菌屬和念珠菌屬的相對(duì)豐度。這些富集在作物根際土壤附近的菌種，發(fā)揮著不同的作用。發(fā)揮積極作用的細(xì)菌可以有效改善土壤條件，利于作物的生長。酸桿菌門已經(jīng)被證實(shí)可以抑制外界土壤中pH值的降低，且與鐵循環(huán)、單碳化合物代謝和植物殘?bào)w降解有關(guān)^［28］；放線菌門可以提高花椒抗外界脅迫的能力^［29］。但是一些病原菌的富集則不利于作物生長，甚至?xí)?dǎo)致作物發(fā)生病害。其中有研究發(fā)現(xiàn)，黃色土源菌屬可能與一部分植物病害的發(fā)生有關(guān)，如在患有黑穗病谷子和發(fā)病小麥的根際土壤中會(huì)顯著富集，并發(fā)現(xiàn)不同的谷田輪作模式中這類菌屬則會(huì)明顯減少^［30］；念珠菌屬在土壤中顯著占優(yōu)的時(shí)候，可能會(huì)導(dǎo)致單一化群落結(jié)構(gòu)而引起土壤微生態(tài)失調(diào)，在長期連作的茶樹中發(fā)現(xiàn)隨著種植時(shí)長的增加這種菌屬的相對(duì)豐度也隨之增加^［31］。此外，放線菌門、浮霉菌門、疣微菌門、浮霉菌門相對(duì)豐度升高利于植物對(duì)肥料中養(yǎng)分的吸收，它們都是好氧堆肥過程中共享的優(yōu)勢菌門，彼此之間存在一定的競爭關(guān)系^［32-33］。因此，與輪作相比，甘蔗與鳳梨之間進(jìn)行輪作能夠提高有益菌種的富集，減少病原菌的富集。

通過PCoA及UPGMA聚類分析，本研究發(fā)現(xiàn)，未耕作組與連作組的根際土壤細(xì)菌組成相似性高，表明連作總體上并不會(huì)導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)組成發(fā)生明顯的改變，這可能是因?yàn)檫B作時(shí)間較短^［34］。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，鳳梨連作組與未耕作組相似性更高，表明種植鳳梨對(duì)土壤的改變能力較弱。前茬種植的農(nóng)作物對(duì)后茬種植作物的生長產(chǎn)生影響，這主要是土壤中水分含量、養(yǎng)分和可利用物質(zhì)發(fā)生了改變，而適宜的輪作順序可增大土壤的利用率以及農(nóng)作物產(chǎn)量的提高。本研究發(fā)現(xiàn)，甘蔗對(duì)土壤微生物的早期影響較大，即使后續(xù)種植了鳳梨，其改變土壤的能力很有限，細(xì)菌的結(jié)構(gòu)組成等都沒有產(chǎn)生太大變化；而鳳梨對(duì)土壤微生物的早期影響較小，在后續(xù)種植甘蔗后細(xì)菌的結(jié)構(gòu)等都發(fā)生了較大變化。這表明雖然輪作植物相同，但種植先后的不同對(duì)其菌群相對(duì)豐度的影響也不一樣，而這可能與前茬作物對(duì)土壤的影響程度有關(guān)^［25］。

BugBase表型預(yù)測是一種預(yù)測復(fù)雜微生物組內(nèi)功能途徑的生物水平覆蓋以及生物可解釋表型的方法。在BugBase表型預(yù)測上，好氧、厭氧以及兼性厭氧特征性狀類群上，輪作組好氧菌落相對(duì)豐度較高且厭氧菌落較少，連作組的兼性厭氧菌落相對(duì)豐度最高，好氧菌落與未耕作組區(qū)別不大。生物膜形成表型相對(duì)豐度的增加，對(duì)不利的環(huán)境脅迫更具有耐受性^［35］。在生物膜形成表型上，輪作組明顯高于其他組，這表明輪作可以改變土壤中微生物類群中細(xì)菌表型，而這種表型的轉(zhuǎn)移可以使細(xì)菌群落更適應(yīng)土壤微生態(tài)環(huán)境。因此，輪作可以改善土壤中的通氣情況，利于好氧菌如放線菌等的富集，降低厭氧菌如浮霉菌門等的相對(duì)豐度，提高菌落耐受性，從而更利于植株的生長。前人研究發(fā)現(xiàn)，與菠蘿連作、甘蔗連作相比，進(jìn)行輪作后在減少土壤中厭氧菌數(shù)量的同時(shí)，還可有效改善土壤的通氣情況并抑制病原厭氧細(xì)菌的活性^［36］，本研究得出的結(jié)論與之基本一致。

本研究主要是通過高通量測序手段，去探究土壤中細(xì)菌群落組成的變化，但是土壤的微生態(tài)是復(fù)雜的，因此需要開展更多的相關(guān)研究，如研究根際土壤中真菌的群落結(jié)構(gòu)、種植作物的根際分泌物與土壤微生物之間的互作模式等。這些工作的開展，對(duì)甘蔗與鳳梨在不同耕作方式下土壤微生態(tài)功能的研究都具有重要意義。

4 結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)行甘蔗與鳳梨輪作處理，可以改變?cè)就寥牢⑸锶郝浣Y(jié)構(gòu)組成，其改善土壤微生物群落的能力比連作更強(qiáng)。基于PacBio測序平臺(tái)，各處理的根際土壤細(xì)菌之間各項(xiàng)數(shù)值比較后發(fā)現(xiàn)，輪作能夠降低土壤中細(xì)菌的數(shù)量，影響了甘蔗與鳳梨種植區(qū)根際土壤菌群優(yōu)勢菌門（屬）的相對(duì)豐度，在富集有益菌的同時(shí)降低了病原菌的數(shù)量。進(jìn)行功能預(yù)測發(fā)現(xiàn)，輪作可以進(jìn)一步提高好氧菌落在細(xì)菌菌落中的比例，降低厭氧菌落在細(xì)菌菌落中比例，并更利于細(xì)菌生物膜的形成，能夠改善土壤中的通氣環(huán)境。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，前茬植物對(duì)輪作的影響也不同，其中前茬種植甘蔗對(duì)土壤細(xì)菌結(jié)構(gòu)構(gòu)成的影響更大。目前，甘蔗與鳳梨輪作的根際土壤微生物細(xì)菌門（屬）之間的互作模式尚不清楚，而且在輪作模式下真菌等其他微生物的影響也亟待更多的研究結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

［1］Budeguer F，Enrique R，Perera M F，et al. Genetic transformation of sugarcane，current status and future prospects［J］. Frontiers in Plant Science，2021，12：768609.

［2］Li R Y，Pang Z Q，Zhou Y M，et al. Metagenomic analysis exploring taxonomic and functional diversity of soil microbial communities in sugarcane fields applied with organic fertilizer［J］. BioMed Research International，2020，2020：9381506.

［3］Ali M M，Hashim N，Aziz S A，et al. Pineapple （Ananas comosus）：a comprehensive review of nutritional values，volatile compounds，health benefits，and potential food products［J］. Food Research International，2020，137：109675.

［4］Hamzah A F A，Hamzah M H，Man H C，et al. Recent updates on the conversion of pineapple waste （Ananas comosus） to value-added products，future perspectives and challenges［J］. Agronomy，2021，11（11）：2221.

［5］Zhang R Z，Mu Y，Li X R，et al. Response of the arbuscular mycorrhizal fungi diversity and community in maize and soybean rhizosphere soil and roots to intercropping systems with different nitrogen application rates［J］. The Science of the Total Environment，2020，740：139810.

［6］Singh S R，Yadav P，Singh D，et al. Intercropping in sugarcane improves functional diversity，soil quality and crop productivity［J］. Sugar Tech，2021，23（4）：794-810.

［7］Yang Y，Dou Y X，An S S.Testing association between soil bacterial diversity and soil carbon storage on the Loess Plateau［J］. Science of the Total Environment，2018，626：48-58.

［8］陳曉婷，王裕華，林立文，等. 連作百香果對(duì)土壤理化性質(zhì)和微生物特性的影響及病原真菌的分離與鑒定［J］. 熱帶作物學(xué)報(bào)，2021，42（2）：495-502.

［9］譚雪蓮，郭天文，胡新元，等. 黃土高原旱作區(qū)馬鈴薯連作根際土壤微生物群落變化特征［J］. 作物學(xué)報(bào)，2022，48（3）：682-694.

［10］Pang Z Q，Dong F，Liu Q，et al. Soil metagenomics reveals effects of continuous sugarcane cropping on the structure and functional pathway of rhizospheric microbial community［J］. Frontiers in Microbiology，2021，12：627569.

［11］劉傳和，賀 涵，何秀古，等. 不同連作年限菠蘿園土壤差異代謝物和細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析［J］. 生物技術(shù)通報(bào)，2021，37（8）：162-175.

［12］Bogu?as V，Skinulien? L，Butkevi?ien? L M，et al. The effect of monoculture，crop rotation combinations，and continuous bare fallow on soil CO₂emissions，earthworms，and productivity of winter rye after a 50-year period［J］. Plants，2022，11（3）：431.

［13］范業(yè)賡，陳榮發(fā)，閆海鋒，等. 甘蔗輪作青飼玉米和花生對(duì)甘蔗生長和土壤性狀的影響［J］. 作物雜志，2021（1）：104-111.

［14］周忠鳳，范業(yè)賡，周慧文，等. 甘蔗間套種/輪種玉米模式調(diào)查與分析［J］. 廣西糖業(yè)，2021（1）：3-7.

［15］賴朝圓，楊 越，陶成圓，等. 不同作物—香蕉輪作對(duì)香蕉生產(chǎn)及土壤肥力質(zhì)量的影響［J］. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2018，34（2）：299-306.

［16］Paungfoo-Lonhienne C，Wang W J，Yeoh Y K，et al. Legume crop rotation suppressed nitrifying microbial community in a sugarcane cropping soil［J］. Scientific Reports，2017，7（1）：16707.

［17］王尚明，吳學(xué)仕，陳 孝，等. 農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營研究：菠蘿與桉樹輪作對(duì)林木生長和土壤的影響［J］. 熱帶亞熱帶土壤科學(xué)，1997，6（1）：1-8.

［18］袁先福，孫玉菡，朱成之，等. 輪作聯(lián)用生物有機(jī)肥促進(jìn)香蕉生長［J］. 應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報(bào)，2018，24（1）：60-67.

［19］習(xí)金根，吳 浩，王一承，等. 菠蘿甘蔗輪作生產(chǎn)、生態(tài)效益分析研究［J］. 熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，30（4）：12-14.

［20］Bertola M，F(xiàn)errarini A，Visioli G. Improvement of soil microbial diversity through sustainable agricultural practices and its evaluation by-omics approaches：a perspective for the environment，food quality and human safety［J］. Microorganisms，2021，9（7）：1400.

［21］Chen M N，Liu H，Yu S L，et al. Long-term continuously monocropped peanut significantly changed the abundance and composition of soil bacterial communities［J］. PeerJ，2020，8：e9024.

［22］Kusumawati A，Hanudin E，Purwanto B H，et al. Composition of organic C fractions in soils of different texture affected by sugarcane monoculture［J］. Soil Science and Plant Nutrition，2020，66（1）：206-213.

［23］Gao X N，Wu Z L，Liu R，et al. Rhizosphere bacterial community characteristics over different years of sugarcane ratooning in consecutive monoculture［J］. BioMed Research International，2019，2019：4943150.

［24］劉亞男，馬海洋，張江周，等. 連作土壤不同施肥水平對(duì)菠蘿產(chǎn)量和品質(zhì)的影響［J］. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，41（21）：71-74.

［25］王宏杰，劉紹東，劉瑞華，等. 輪作對(duì)棉花根際土壤細(xì)菌群落的影響［J］. 生物技術(shù)通報(bào)，2020，36（9）：117-124.

［26］鄭 超，劉月廉，謝治國，等. 菠蘿—甘蔗輪作制度對(duì)甘蔗生長及土壤生態(tài)的影響［J］. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2006，14（1）：79-80.

［27］李萬星，李小霞，李 丹，等. 不同輪作模式下旱地番茄土壤理化性質(zhì)及細(xì)菌群落組成特征［J］. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2022，38（4）：949-957.

［28］王光華，劉俊杰，于鎮(zhèn)華，等. 土壤酸桿菌門細(xì)菌生態(tài)學(xué)研究進(jìn)展［J］. 生物技術(shù)通報(bào)，2016，32（2）：14-20.

［29］楊 睿，李 娟，龍 健，等. 貴州喀斯特山區(qū)不同種植年限花椒根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征研究［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2021，30（1）：81-91.

［30］牛倩云，韓彥莎，徐麗霞，等. 作物輪作對(duì)谷田土壤理化性質(zhì)及谷子根際土壤細(xì)菌群落的影響［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2018，37（12）：2802-2809.

［31］許 廣，王夢姣，鄧百萬，等. 不同植茶年限茶樹根際土壤細(xì)菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)研究［J］. 生物技術(shù)通報(bào)，2020，36（3）：124-132.

［32］Semenov M V，Krasnov G S，Semenov V M，et al. Does fresh farmyard manure introduce surviving microbes into soil or activate soil-borne microbiota？［J］. Journal of Environmental Management，2021，294：113018.

［33］王秀紅，李欣欣，史向遠(yuǎn)，等. 好氧堆肥微生物代謝多樣性及其細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)［J］. 環(huán)境科學(xué)研究，2018，31（8）：1457-1463.

［34］Xia F，Wang L N，Chen J Y，et al. Variations of microbial community in Aconitum carmichaeli Debx.rhizosphere soilin a short-term continuous cropping system［J］. Journal of Microbiology，2021，59（5）：481-490.

［35］Du J J，Wang T，Zhou Q X，et al. Graphene oxide enters the rice roots and disturbs the endophytic bacterial communities［J］. Ecotoxicology and Environmental Safety，2020，192：110304.

［36］鄭 超，廖宗文，譚中文，等. 菠蘿—甘蔗輪作的土壤生態(tài)效應(yīng)［J］. 生態(tài)科學(xué)，2003，22（3）：248-249，274.