水旱輪作模式下馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落多樣性分析

蘇燕 李婕 曹雪穎 莫宛 鄭虛 姚姿婷 鄒承武

摘要：【目的】比較水旱輪作與旱地輪作兩種種植模式下的馬鈴薯根際土壤及病株塊莖的細(xì)菌群落多樣性，為利用土壤細(xì)菌多樣性優(yōu)化馬鈴薯種植模式和防治馬鈴薯病害提供科學(xué)依據(jù)?！痉椒ā糠謩e采集前作為水稻的水旱輪作和前作為玉米的旱地輪作模式下馬鈴薯根際土壤樣品（旱地輪作和水旱輪作健康馬鈴薯根際土壤樣品分別記為HD.J和SH.J，旱地輪作和水旱輪作發(fā)病馬鈴薯根際土壤樣品分別記為HD.B和SH.B）及馬鈴薯病株塊莖樣品（旱地輪作和水旱輪作發(fā)病馬鈴薯塊莖樣品分別記為P.HD.B和P.SH.B），基于高通量測序技術(shù)對樣品中細(xì)菌16S rDNA的V3～V4區(qū)域進(jìn)行測序，分析2種種植模式下的馬鈴薯根際土壤樣品和病株塊莖樣品的細(xì)菌種類及豐度差異。【結(jié)果】 對馬鈴薯根際土壤樣品及病株塊莖樣品的細(xì)菌多樣性分析結(jié)果顯示，HD.J、HD.B、SH.J和SH.B的細(xì)菌種類（OTU數(shù)目）、豐富度（Chao1指數(shù)）及多樣性（Shannon指數(shù)）均高于P.SH.B和P.HD.B，且健株根際土壤細(xì)菌群落豐富度高于病株土壤。馬鈴薯種植模式是影響根際土壤細(xì)菌群落變化的最主要因素，貢獻(xiàn)率為39.1%，而馬鈴薯植株健康狀況是影響根際土壤細(xì)菌群落變化的第二大因素，貢獻(xiàn)率為34.7%。病株根際土壤樣品中，HD.B無豐度在1.00%以上的優(yōu)勢種，而SH.B特有的優(yōu)勢種中包含軟腐病果膠桿菌（Pectobacterium carotovorum）、雷爾氏菌（Ralstonia solanacearum）和不動桿菌（Acinetobacter rudis），相對豐度分別為2.03%、1.46%和1.22%，其中軟腐病果膠桿菌和雷爾氏菌是馬鈴薯的主要病原細(xì)菌，可分別導(dǎo)致馬鈴薯黑脛病和青枯病發(fā)生。病株塊莖樣品中，P.SH.B除了包含P.HD.B檢測到的23個屬，還有5個屬是其所特有;P.SH.B特有的5個屬中有3個優(yōu)勢屬在SH.B中未檢測到。HD.B特有的優(yōu)勢功能是產(chǎn)甲烷作用，相對豐度為1.18%;SH.B特有的優(yōu)勢功能包括硝酸鹽呼吸作用、氮呼吸作用、亞硝酸鹽呼吸作用、亞硝酸鹽氨化作用和硝酸鹽氨化作用，均屬于氮利用及代謝功能，相對豐度為1.48%～1.95%。【結(jié)論】與旱地輪作模式相比，水旱輪作模式可提高馬鈴薯根際土壤的細(xì)菌群落多樣性，但在該種植模式下要重點預(yù)防馬鈴薯發(fā)生細(xì)菌性病害。

關(guān)鍵詞： 細(xì)菌群落多樣性;馬鈴薯;水旱輪作;旱地輪作;根際土壤

中圖分類號： S344.17;S532? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：2095-1191（2020）10-2374-09

Diversity analysis of bacterial community in potato rhizosphere soil under the mode of paddy-upland rotation

SU Yan1， LI Jie1， CAO Xue-ying1， MO Wan1， ZHENG Xu2， YAO Zi-ting1*，

ZOU Cheng-wu1*

（1National Demonstration Center for Experimental Plant Science Education， College of Agriculture， Guangxi

University， Nanning? 530004， China; 2Cash Crops Research Institute， Guangxi Academy of

Agricultural Sciences， Nanning? 530007， China）

Abstract：【Objective】The microbial community diversity in rhizosphere soil and tuber between paddy-upland rotation and upland rotation in potato planting was compared in order to optimize potato planting modes and provide scientific basis to develop potato industry from the perspective of plant-microbiome ecology. 【Method】Soil samples of potato rhizosphere and tuber samples of potato diseased plants were collected from the rotation of rice paddy-upland rotation and maize upland rotation， respectively. The rhizosphere soil samples of healthy potato in upland rotation and paddy-upland rotation were marked with HD.J and SH.J， respectively. The rhizosphere soil samples of diseased potato in upland rotation and paddy upland rotation were marked with HD.B and SH.B， respectively. Tuber samples of diseased potato in upland rotation and paddy-upland rotation were marked with P.HD.B and P.SH.B， respectively. V3-V4 region of 16S rDNA amplicon of bacteria in the rhizosphere soil and tuber samples were sequenced using high throughput sequencing. Then the bacteria species and abundance differences of potato rhizosphere soil samples and diseased tuber samples in two cultivation modes were analyzed. 【Result】The results of bacterial diversity analysis of rhizosphere soil samples and tuber samples of diseased potato showed that the bacterial species， richness（Chao1 index） and diversity（Shannon index） of HD.J， HD.B， SH.J and SH.B were higher than those of P.SH.B and P.HD.B. The abundance of bacterial community in rhizosphere soil of healthy plants was higher than that of diseased plants. Potato planting pattern was the most important factor affecting the change of bacterial community in soil， with the contribution rate of 39.1%， while the health status of potato plant was the second most important factor with the contribution rate of 34.7%. There was no dominant species with abundance of more than 1.00% in HD.B， while the dominant species in SH.B included Pectinium carotovorum， Ralstonia solanacearum and Acinetobacter rubis with abundances of 2.03%， 1.46% and 1.22%， respectively. Among them， Pectinobacteria and Ralstonia were the main potato pathogens， which could cause potato black leg and potato bacterial wilt， respectively. In the tuber samples of diseased plants， P.SH.B contained not only twenty-three genera detected from P.HD.B， but also contained five genera which were endemic to P.SH.B. Among the five genera which endemic to P.SH.B， three dominant gene-ra were not detected in SH.B. The dominant function of HD.B was methanogenesis， with a relative abundance of 1.18%. In SH.B， the dominant function was nitrogen utilization and metabolism， containing nitrate respiration， nitrogen respiration， nitrite respiration， nitrite ammonification and nitrate ammonification， with the relative abundance of 1.48%-1.95%. 【Conclusion】Compared with the upland rotation mode， the paddy-upland rotation mode can improve the bacterial community diversity of potato rhizosphere soil， but the bacterial diseases of potato should be prevented under this planting mode.

Key words： bacterial community diversity; potato; paddy-upland rotation; upland rotation; rhizosphere soil

Foundation item： Guangxi Innovation Driven Development Project（Science and Technology Major Project）（Guike AA17204054）;? Guangxi Postdoctoral Science Foundation（BH2018065）

0 引言

【研究意義】根際土壤微生物是植物微生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其活性和群落結(jié)構(gòu)多樣性可影響土壤肥力的形成和植物對土壤有效養(yǎng)分的吸收及營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化，與植物健康生長發(fā)育和生產(chǎn)力密切相關(guān)（Ling et al.，2014;李忠奎等，2019）。土壤微生物群落在維持土壤肥力方面發(fā)揮著重要作用，是評價土壤環(huán)境優(yōu)劣狀況的重要生態(tài)指標(biāo)之一（Kumar et al.，2017）。種植方式不同會影響土壤微生物生長環(huán)境，使土壤微生物數(shù)量、組成及活性產(chǎn)生較大差異，并最終導(dǎo)致土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生改變。廣西是典型的馬鈴薯冬作區(qū)，主要采用水旱輪作或旱地輪作種植馬鈴薯（韋本輝等，2005）。因此，研究水旱輪作和旱地輪作2種種植模式下馬鈴薯根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性，可為評估其對馬鈴薯健康生長的影響及選擇合適的馬鈴薯種植模式提供科學(xué)依據(jù)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】微生物擴(kuò)增子高通量測序技術(shù)理論上可直接獲得環(huán)境中所有微生物的基因信息，能快速而全面地詮釋土壤中的微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性，為根際土壤微生物研究提供新思路。姚華開等（2018）使用MiSeq高通量測序平臺對混栽組合茄子根際土壤中細(xì)菌的16S rDNA基因V3～V4區(qū)片段進(jìn)行測序，發(fā)現(xiàn)混栽組合茄子根際土壤的細(xì)菌多樣性指數(shù)（H）、豐度（S）和均勻度指數(shù)（Eh）均顯著高于對照，而且茄子混栽組合種植還能有效提高主栽作物茄子的根際土壤肥力;張笑宇等（2018）采用實驗室微生物培養(yǎng)聯(lián)合微生物高通量測序技術(shù)對玉米—烤煙輪作和煙葉連作2種種植模式下的煙株根際土壤微生物數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)及其多樣性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)輪作煙田根際土壤中的細(xì)菌和放線菌數(shù)量均高于連作煙田根際土壤;廖詠梅等（2019）基于Illumina MiSeq測序平臺對真菌ITS1～I(xiàn)TS2區(qū)域和細(xì)菌16S rDNA擴(kuò)增子V3～V4區(qū)域進(jìn)行雙末端測序，分析稻鴨共育模式與常規(guī)管理模式稻田土壤真菌和細(xì)菌的種類及豐度差異，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)管理模式種植水稻比較，稻鴨共育模式的水稻根際土壤pH略低，有機(jī)質(zhì)稍高，真菌的種群結(jié)構(gòu)豐富，而細(xì)菌的優(yōu)勢門和優(yōu)勢屬無明顯差異;王悅等（2019）使用MiSeq高通量測序平臺對連作、輪作和套作種植模式下丹參根際土壤細(xì)菌16S rDNA基因V3～V4區(qū)片段和真菌18S rDNA基因V4區(qū)片段進(jìn)行測序，發(fā)現(xiàn)不同種植模式下微生物間的群落結(jié)構(gòu)變化顯著，相互作用關(guān)系也有明顯差異;楊瀟湘等（2019）基于擴(kuò)增子高通量測序技術(shù)對豆—油輪作模式下的大豆與油菜根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)與油菜根際土壤微生物相比，大豆根際土壤特異性富集具有固氮功能的根瘤菌屬、慢生根瘤菌屬和叢枝菌根真菌以及具有生防作用和促進(jìn)植物生長的微生物。水旱輪作模式比常規(guī)連作模式的土壤微生物含量和多樣性更高，有助于減少病害發(fā)生和提高農(nóng)作物產(chǎn)量。蘇婷等（2016）研究發(fā)現(xiàn)，水稻—玉米的水旱輪作模式不僅能調(diào)節(jié)土壤pH，還能顯著增加土壤細(xì)菌、真菌和放線菌含量，促進(jìn)土壤生態(tài)系統(tǒng)的平衡;譚雪蓮等（2016）的研究表明水旱輪作可提高馬鈴薯產(chǎn)量，可能是因為水旱輪作提高了土壤微生物的數(shù)量和活性，從而促進(jìn)了馬鈴薯根系生長及營養(yǎng)吸收。正是由于水旱輪作模式具有改善土壤理化性質(zhì)、減少病害發(fā)生和提高作物產(chǎn)量的優(yōu)點，同時還能充分利用冬閑田，目前已成為南方冬季種植馬鈴薯的主要模式?！颈狙芯壳腥朦c】前人主要對馬鈴薯不同耕作模式的產(chǎn)量進(jìn)行比較，并主要研究不同的連作/間作/輪作模式對土壤性質(zhì)及微生物總體群落的影響，而針對馬鈴薯在不同耕作模式下的根際土壤及塊莖的細(xì)菌群落多樣性研究鮮見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】選取相同地點不同輪作模式的一組田塊，通過16S rDNA高通量測序分析前作為玉米的旱地輪作和前作為水稻的水旱輪作模式下馬鈴薯根際土壤及塊莖的細(xì)菌種類及豐度差異，明確水旱輪作種植模式對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的潛在影響，為利用土壤細(xì)菌多樣性優(yōu)化馬鈴薯種植模式和防治馬鈴薯病害提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1. 1 樣品采集

試驗地點位于廣西賀州市昭平縣五將鎮(zhèn)，試驗設(shè)置2個田塊，二者相鄰，種植的馬鈴薯品種均為費(fèi)烏瑞它，采用相同的常規(guī)田間管理措施。試驗田塊1的種植模式為玉米—馬鈴薯旱地輪作，于馬鈴薯收獲期（2018年3月）采集樣品，記為HD;試驗田塊2的種植模式為水稻—馬鈴薯水旱輪作，于馬鈴薯收獲期（2018年3月）采集樣品，記為SH。同一個采樣地點，部分馬鈴薯發(fā)生細(xì)菌性軟腐病。采用五點法采樣，采樣地中心定一個采樣點，等距離等角度輻射4點。在每個采樣點分別采集健康馬鈴薯和發(fā)病馬鈴薯的根際土壤樣品及病株塊莖樣品，分別裝入無菌密封塑料袋，保存于冰盒中，其中旱地輪作健康馬鈴薯和發(fā)病馬鈴薯根際土壤樣品分別記為HD.J和HD.B，水旱輪作健康馬鈴薯和發(fā)病馬鈴薯根際土壤樣品分別記為SH.J和SH.B，旱地輪作發(fā)病馬鈴薯和水旱輪作發(fā)病馬鈴薯塊莖樣品分別記為P.HD.B和P.SH.B。

1. 2 微生物基因組DNA提取及16S rDNA高通量測序

取樣點的土壤樣品置于研缽中磨碎，過80目篩后，5個取樣點的樣品各稱取1.0 g混勻，隨機(jī)取約0.5 g土壤用于提取微生物總DNA。馬鈴薯塊莖樣品洗凈后切成小塊置于研缽中研磨，5個取樣點各稱取1.0 g研磨后的樣品混勻，隨機(jī)取約0.5 g組織用于提取微生物總DNA。使用BioFast土壤基因組DNA提取試劑盒（杭州博日科技有限公司）提取土壤及馬鈴薯塊莖的微生物基因組DNA，采用NanoDrop-2000（美國賽默飛世爾科技公司）測定DNA濃度，并通過1%瓊脂糖凝膠電泳分析DNA完整度。對樣品中的細(xì)菌16S rDNA基因V3～V4區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)增并建庫，繼而使用Illumina HiSeq 2500平臺進(jìn)行高通量測序。

1. 3 生物信息學(xué)分析

測序原始數(shù)據(jù)去除低質(zhì)量讀段（Reads），然后根據(jù)雙末端測序（Paired-End，PE）數(shù)據(jù)間的疊連（Overlap）關(guān)系將成對的讀段拼接成1條序列，為得到高質(zhì)量的讀段，去除標(biāo)簽（Tags）兩端的條形碼（Barcode）序列及引物序列，再去除嵌合體及其短序列等得到干凈序列標(biāo)簽（Clean tags）。拼接過濾后的干凈序列標(biāo)簽在97%相似度下利用QIIME（v1.8.0）將其聚類為用于物種分類的操作分類單元（OTU），統(tǒng)計各樣品每個OTU的豐度信息。獲得的OTU與RDP數(shù)據(jù)庫（Release 11.1，http：// rdpcme.msu.edu/）比對，通過核糖體數(shù)據(jù)庫項目貝葉斯分類法（Ribosomal Database Project Bayesian，RDP Classifier）鑒定OTU代表性序列的微生物分類地位。應(yīng)用R語言Vegan軟件包進(jìn)行基于Bray-Curtis距離的主坐標(biāo)分析（PCoA）及非度量多維標(biāo)定法（NMDS）分析。應(yīng)用Mothur計算微生物Alpha（α）多樣性指數(shù)。應(yīng)用原核生物類群的功能注釋方法（FAPROTAX）（Louca et al.，2016），將本研究的16S rDNA測序數(shù)據(jù)與FAPROTAX數(shù)據(jù)庫對比，分析功能基因在生物代謝通路上的豐度。

2 結(jié)果與分析

2. 1 馬鈴薯根際土壤樣品及病株塊莖樣品細(xì)菌多樣性分析結(jié)果

6個馬鈴薯根際土壤樣品和病株塊莖樣品測序共獲得685267條原始序列標(biāo)簽（Raw tags），質(zhì)控過濾后共產(chǎn)生650335條干凈序列標(biāo)簽，每個樣品至少產(chǎn)生103692條干凈序列標(biāo)簽，平均產(chǎn)生108389條干凈序列標(biāo)簽，最終得到的干凈序列標(biāo)簽平均長度集中在406～415 bp。在97%的相似水平下對序列進(jìn)行OTU聚類，共獲得843個OTUs。

以O(shè)TU水平對6個樣品進(jìn)行PCoA分析，結(jié)果（圖1-A）發(fā)現(xiàn)4個土壤樣品聚在一起，說明土壤樣品間的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)更接近;而病株塊莖的2個樣品間距離較遠(yuǎn)，且均與土壤樣品完全分開，說明病株塊莖樣品的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與土壤樣品的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)存在較大差異。進(jìn)行NMDS分析獲得的結(jié)果（圖1-B）與PCoA分析結(jié)果一致，4個土壤樣品幾乎完全重疊，而2個病株塊莖樣品間的距離很遠(yuǎn)，且與土壤樣品的距離也很遠(yuǎn)，說明與病株塊莖相比較，土壤樣品的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)非常相似，細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與樣品來源相關(guān)。

以α多樣性指數(shù)對土壤樣品與病株塊莖樣品的細(xì)菌群落多樣性進(jìn)行比較，結(jié)果（表1和圖2）發(fā)現(xiàn)土壤樣品的細(xì)菌種類（OTU數(shù)目）、豐富度（Chao1指數(shù)）和多樣性（Shannon指數(shù)）均高于病株塊莖樣品，說明土壤樣品的細(xì)菌群落多樣性高于病株塊莖的細(xì)菌群落多樣性。

2. 2 馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落組成分析結(jié)果

對馬鈴薯根際土壤的4個樣品進(jìn)行PCoA分析，此時4個樣品均發(fā)生了分離。其中，旱地輪作樣品HD.J和HD.B位于橫軸主坐標(biāo)1（PCoA1）的正端，水旱輪作樣品SH.J和SH.B位于橫軸PCoA1的負(fù)端，PCoA1是造成4個樣品的最大差異特征，貢獻(xiàn)率為39.1%（圖3-A）;同時，健康馬鈴薯的根際土壤樣品HD.J和SH.J位于縱軸主坐標(biāo)2（PCoA2）的正端，發(fā)病馬鈴薯的根際土壤樣品HD.B和SH.B位于縱軸PCoA2的負(fù)端，PCoA2是造成4個樣品的第二大差異特征，貢獻(xiàn)率為34.7%（圖3-B）。PCoA1和PCoA2的累積貢獻(xiàn)率達(dá)73.8%，能較全面地反映樣本信息。分析結(jié)果表明，馬鈴薯種植模式（旱地輪作或水旱輪作）是影響土壤細(xì)菌群落變化的最主要因素，貢獻(xiàn)率為39.1%，而馬鈴薯植株健康狀況是影響土壤細(xì)菌群落變化的第二大因素，貢獻(xiàn)率為34.7%。

對馬鈴薯根際土壤的4個樣品進(jìn)行細(xì)菌種類、豐富度和多樣性分析，結(jié)果（表1）顯示，各樣品中按OTU數(shù)目排序為：HD.J>HD.B>SH.J>SH.B，按Chao1指數(shù)排序為：HD.J>HD.B>SH.J>SH.B，按Shannon指數(shù)排序為：SH.J>SH.B>HD.J>HD.B。說明雖然旱地輪作的土壤細(xì)菌群落種類較多，但水旱輪作的土壤細(xì)菌群落多樣性更高。結(jié)果也顯示，健株根際土壤細(xì)菌群落多樣性均高于相應(yīng)病株土壤的細(xì)菌群落。

4個馬鈴薯根際土壤樣品的細(xì)菌歸屬于24門40綱83目129科181屬。在門水平上，相對豐度排前10的細(xì)菌類群依次為細(xì)菌界的變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）、厚壁菌門（Firmicutes）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、Saccharibacteria和硝化螺旋菌門（Nitrospirae），以及古細(xì)菌界的奇古菌門（Thaumarchaeota）和廣古菌門（Euryarchaeota）（圖4-A）。其中，變形菌門是占絕對優(yōu)勢的細(xì)菌門，在各樣品中的相對豐度分別為：27.98%（HD.B）、31.89%（HD.J）、45.46%（SH.B）和32.87%（SH.J）;其次是酸桿菌門，在各樣品中的相對豐度分別為：14.80%（HD.B）、19.12%（HD.J）、24.36%（SH.B）和30.83%（SH.J）。旱地輪作的2個樣品的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)較相似，水旱輪作的2個樣品的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)較相似。

在屬水平上（圖4-B），旱地輪作的2個樣品與水旱輪作的健株土壤樣品的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)較相似，而水旱輪作的病株根際土壤樣品呈現(xiàn)出特有的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征。以相對豐度大于1.00%的屬為優(yōu)勢屬，分別取4個樣品的優(yōu)勢屬進(jìn)行比較，HD.B與HD.J的優(yōu)勢屬均有10個，SH.J的優(yōu)勢屬有9個，3個土壤樣品的優(yōu)勢屬總相對豐度為23.00%～30.00%，而SH.B的優(yōu)勢屬有19個，相對豐度之和為44.60%。在4個土壤樣品中均出現(xiàn)的優(yōu)勢屬是奇古菌門的Candidatus_Nitrosotalea、Candidatus_Koribacter和Candidatu_Solibacter，以及變形菌門的鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）和羅河桿菌屬（Rhodanobacter），5個優(yōu)勢屬在各樣品中所占的比例分別為15.92%（HD.B）、22.38%（HD.J）、15.67%（SH.B）和20.83%（SH.J），即5個優(yōu)勢屬在病株土壤的相對豐度均低于健株土壤。在旱地輪作的病株根際土壤樣品中特有的優(yōu)勢屬為節(jié)桿菌屬（Arthrobacter）、Mucilaginibacter、Dyella和纖線桿菌屬（Ktedonobacter），總相對豐度為5.06%;在水旱輪作的病株根際土壤樣品中特有的優(yōu)勢屬為不動桿菌屬（Acinetobacter）、腸桿菌屬（Enterobacter）、果膠桿菌屬（Pectobacterium）、雷爾氏菌屬（Ralstonia）、水恒桿菌屬（Mizugakiibacter）、土地桿菌屬（Pedobacter）、泛菌屬（Pantoea）、Granulicella和伯克氏菌屬（Burkholderia），9個屬的總相對豐度為19.56%，除土地桿菌屬和Granulicella外，其余7個優(yōu)勢屬均來自變形菌門，相對豐度總和為17.09%。在種水平上，在旱地輪作的病株根際土壤樣品中無豐度大于1.00%的優(yōu)勢種，而水旱輪作的病株根際土壤樣品中特有的優(yōu)勢種是軟腐病果膠桿菌（P. carotovorum）、雷爾氏菌（R. solanacearum）和不動桿菌（A. rudis），相對豐度分別為2.03%、1.46%和1.22%，其中軟腐病果膠桿菌和雷爾氏菌是馬鈴薯的主要病原細(xì)菌，可分別導(dǎo)致馬鈴薯黑脛病和青枯病發(fā)生。

2. 3 馬鈴薯病株塊莖細(xì)菌群落組成分析結(jié)果

PCoA分析和NMDS分析結(jié)果（圖1）均顯示，水旱輪作病株塊莖與旱地輪作病株塊莖的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著分離。對馬鈴薯的2個病株塊莖樣品進(jìn)行細(xì)菌種類、豐富度及多樣性分析結(jié)果（表1）顯示，旱地輪作病株塊莖的細(xì)菌群落豐富度和多樣性均比水旱輪作的病株塊莖低。旱地輪作的馬鈴薯病株塊莖（P.HD.B）樣品細(xì)菌歸屬于12門16綱31目33科23屬;在門水平上，相對豐度排在前4的變形菌門（40.33%）、酸桿菌門（26.73%）、放線菌門（10.50%）和綠彎菌門（7.16%）的相對豐度總和達(dá)84.72%（圖5-A）;在屬水平上有11個優(yōu)勢屬，相對豐度總和為24.10%，其中相對豐度最高的前3個屬為鞘氨醇單胞菌屬（5.01%）、Candidatus_Nitrosotalea（3.58%）和嗜鹽單胞菌屬（Halomonas）（3.10%）（圖5-B）。水旱輪作馬鈴薯病株塊莖（P.SH.B）樣品細(xì)菌歸屬于14門24綱43目51科47屬;在門水平，相對豐度排在前4的變形菌門（36.25%）、厚壁菌門（21.89%）、放線菌門（12.23%）和酸桿菌門（10.21%）的相對豐度總和達(dá)80.58%（圖5-A）;在屬水平有17個優(yōu)勢屬，相對豐度總和為45.07%，其中相對豐度最高的前3個屬為奈瑟菌屬（Neisseria）（7.65%）、嗜血桿菌屬（Haemophilus）（5.67%）和鏈球菌屬（Streptococcus）（4.21%）（圖5-B），這3個屬在P.HD.B中均未檢測到。P.SH.B中除了包含P.HD.B檢測到的23個屬，還有5個屬是其所特有。P.SH.B特有的5個屬中有3個優(yōu)勢屬在SH.B中未檢測到。

2. 4 細(xì)菌群落代謝功能預(yù)測結(jié)果

通過將16S rDNA基因測序數(shù)據(jù)與FAPROTAX數(shù)據(jù)庫比對，對不同菌落結(jié)構(gòu)可能執(zhí)行的功能進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果顯示化能異養(yǎng)型、有氧化能異養(yǎng)型和發(fā)酵3類功能在各樣品中的相對豐度均很高，其中在馬鈴薯病株塊莖中的相對豐度最高，分別為64.15%（P.HD.B）和71.89%（P.SH.B），在旱地輪作土壤樣品中的相對豐度較低，分別為61.25%（HD.B）和57.56%（HD.J），在水旱輪作土壤樣品中的相對豐度最低，分別為44.93%（SH.B）和51.07%（SH.J）（圖6）。3類功能中，發(fā)酵在P.SH.B樣品中的相對豐度高達(dá)21.36%，在其他樣品中的相對豐度在1.84%～4.41%。這是由于與發(fā)酵相關(guān)的嗜血桿菌屬及鏈球菌屬是P.SH.B樣品的優(yōu)勢屬。以相對豐度大于1.00%為優(yōu)勢功能，則只在病株土壤樣品中發(fā)現(xiàn)特有的優(yōu)勢功能。其中，旱地輪作的病株根際土壤樣品特有的優(yōu)勢功能是產(chǎn)甲烷作用，相對豐度為1.18%，而該樣品富含奇古菌門的甲烷微菌綱（Methanomicrobia）。在水旱輪作病株根際土壤樣品中特有的優(yōu)勢功能種類較多，包括硝酸鹽呼吸作用、氮呼吸作用、亞硝酸鹽呼吸作用、亞硝酸鹽氨化作用和硝酸鹽氨化作用，均屬于氮利用及代謝功能，相對豐度為1.48%～1.95%。

3 討論

植物生長與其根際土壤微生物密切相關(guān)，植物通過根系分泌物可影響土壤的理化性質(zhì)，進(jìn)而影響土壤微生物群落組成和結(jié)構(gòu)（Chen et al.，2019）。研究表明，不同種植模式對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)形成有明顯的影響（張文鋒等，2018;Hartman et al.，2018）。而本研究通過比較根際土壤樣品間細(xì)菌群落差異也發(fā)現(xiàn)，不同種植模式對馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落的影響較大。雖然旱地輪作模式下根際土壤細(xì)菌群落種類更多，但其多樣性不高，優(yōu)勢屬的數(shù)量及總豐度均低于水旱輪作模式。早期研究報道，輪作模式可促進(jìn)土壤中有機(jī)質(zhì)的積累，從而提高土壤中的微生物多樣性，而水旱輪作模式在積累土壤有機(jī)物質(zhì)、改善土壤性質(zhì)及提高土壤微生物活性方面成效特別顯著。水旱輪作模式下，土壤環(huán)境為厭氧及好氧條件交替，土壤中的碳/氮循環(huán)加速，是水旱輪作模式土壤中的微生物多樣性高于旱地輪作模式的主要原因（Kong et al.，2005;Liu et al.，2015）。本研究發(fā)現(xiàn)水旱輪作模式下的優(yōu)勢屬伯克氏菌屬和果膠桿菌屬已有文獻(xiàn)報道具有高效固氮作用，其氮利用及代謝功能更強(qiáng)，能有效利用高分子量有機(jī)物，起到更好的固氮作用，既促進(jìn)作物生長，又促使作物更能適應(yīng)水旱輪作模式（Gyaneshwar et al.，2011）。本研究對細(xì)菌功能進(jìn)行預(yù)測的結(jié)果也顯示，水旱輪作模式下的氮利用及代謝功能更強(qiáng)，是由于水旱輪作模式下富集了大量的可高效降解利用氮源等多種有機(jī)質(zhì)的細(xì)菌，從而為馬鈴薯生長提供更多的營養(yǎng)物質(zhì)。

植物健康與其土壤微生物群落多樣性密切相關(guān)。本研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯健康植株的根際土壤細(xì)菌群落多樣性明顯高于病株細(xì)菌群落多樣性。但水旱輪作模式的病株土壤樣品微生物多樣性高，優(yōu)勢屬多，且病原菌的相對豐度也高?？梢?，水旱輪作模式的土壤環(huán)境也促進(jìn)病原菌的生長，病原菌相對豐度升高，增加了細(xì)菌性病害發(fā)生的風(fēng)險。研究結(jié)果提示，水旱輪作模式會促進(jìn)營養(yǎng)利用率高的細(xì)菌包括植物病原細(xì)菌增殖，因此在該種植模式下需要特別注意防治細(xì)菌性病害。

本研究還發(fā)現(xiàn)馬鈴薯病株塊莖的細(xì)菌群落種類及多樣性明顯低于其根際土壤的細(xì)菌群落，但在根際土壤樣品中能找到很多與馬鈴薯病株塊莖樣品中相似的細(xì)菌類群，這在一定程度上說明馬鈴薯病株塊莖內(nèi)定殖的細(xì)菌具有選擇性，并且主要來源于根際土壤。相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)類似的定殖規(guī)律，但根系分泌的糖類、氨基酸和有機(jī)酸等物質(zhì)與塊莖內(nèi)的主要營養(yǎng)物質(zhì)存在明顯差別，即使塊莖內(nèi)的微生物主要來源于根際，也會因其營養(yǎng)環(huán)境改變而定殖特定的微生物（Kobayashi et al.，2015;Zimudzi et al.，2018;Buchholz et al.，2019）。

4 結(jié)論

與旱地輪作模式相比較，水旱輪作模式下的馬鈴薯根際土壤細(xì)菌相對豐度和多樣性更高，優(yōu)勢屬的種類和相對豐度也更高。因此，通過水旱輪作的方式可改善土壤微生物的種群結(jié)構(gòu)，豐富土壤中有益細(xì)菌，但在該種植模式下病原細(xì)菌也容易大量繁殖，因此使用該種植模式需特別注意防治馬鈴薯細(xì)菌性病害。

參考文獻(xiàn)：

李忠奎，凌愛芬，李紅麗，陳娟，朱顯俊，王勇，陳玉藍(lán)，王巖. 2019. 基于多樣性測序?qū)】蹬c易感病煙田根際土壤微生物群落分析[J]. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，53（6）：918-925. [Li Z K，Ling A F，Li H L，Chen J，Zhu X J，Wang Y，Chen Y L，Wang Y. 2019. Analysis of rhizosphere soil microbial communities in healthy and susceptible tobacco fields based on diversity sequencing[J]. Journal of Henan Agricultural University，53（6）：918-925.]

廖詠梅，黃元騰吉，韓寧寧，凌展，鄒承武，史鼎鼎，蔣代華. 2019. 稻鴨共育模式下水稻根際土壤真菌和細(xì)菌種群多樣性分析[J]. 南方農(nóng)業(yè)學(xué)報，50（1）： 65-73. [Liao Y M，Huang Y T J，Han N N，Ling Z，Zou C W，Shi D D，Jiang D H. 2019. Analysis of population diversity of fungi and bacteria in rice rhizosphere soil under rice-duck farming model[J]. Journal of Southern Agriculture，50（1）： 65-73.]

蘇婷，韓海亮，趙福成，王桂躍. 2016. 水田、旱地與水旱輪作種植方式土壤微生物群落的差異[J]. 浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，57（2）： 261-262. [Su T，Han H L，Zhao F C，Wang G Y. 2016. Differences of soil microbial communities in paddy field，dry land and rotation cropping[J]. Zhejiang Agricultural Science，57（2）： 261-262.]

譚雪蓮，郭天文，劉高遠(yuǎn). 2016. 馬鈴薯連作土壤微生物特性與土傳病原菌的相互關(guān)系[J]. 灌溉排水學(xué)報，35（8）： 30-35. [Tan X L，Guo T W，Liu G Y. 2016. Interrelation between soil microbial characters and borne pathogen of potato continuous cropping[J]. Journal of irrigation and drainage，35（8）： 30-35.]

王悅，楊貝貝，王浩，楊程，張菊，朱濛，楊如意. 2019. 不同種植模式下丹參根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化[J]. 生態(tài)學(xué)報，39（13）： 4832-4843. [Wang Y，Yang B B，Wang H，Yang C，Zhang J，Zhu M，Yang R Y. 2019. Variation in microbial community structure in the rhizosphere soil of Salvia miltiorrhiza Bunge under three cropping modes[J]. Acta Ecologica Sinica，39（13）： 4832-4843.]

韋本輝，韋威泰，甘秀芹，唐榮華，覃維治，寧秀呈. 2005. 馬鈴薯新品種冬種品比及栽培密度研究[J]. 中國馬鈴薯，19（1）： 30-32. [Wei B H，Wei W T，Gan X Q，Tang R H，Qin W Z，Ning X C. 2005. Study on variety comparison and planting density of new potato varieties in winter [J]. Chinese Potato Journal，19（1）： 30-32.]

楊瀟湘，張蕾，黃小琴，伍文憲，周西全，杜磊，黎懷忠，劉勇. 2019. 基于高通量測序分析大豆和油菜根際微生物群落結(jié)構(gòu)的差異[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，30（7）： 2345-2351. [Yang X X，Zhang L，Huang X Q，Wu W X，Zhou X Q，Du L，Li H Z，Liu Y. 2019. Difference of the microbial community structure in the rhizosphere of soybean and oilseed rape based on high-throughput pyrosequencing analysis[J]. Chinese Journal of Applied Ecology，30（7）： 2345-2351.]

姚華開，張傳進(jìn)，劉岳飛，吳人敏，楊尚東. 2018. 混栽對主栽作物茄子根際土壤微生物生態(tài)學(xué)特性的影響[J]. 熱帶作物學(xué)報，39（6）： 1067-1074. [Yao H K，Zhang C J，Liu Y F，Wu R M，Yang S D. 2018. Effects of intercropping on soil characteristics of microbial ecology in rhizosphere of eggplant[J]. Chinese Journal of Tropical Crops，39（6）： 1067-1074.]

張文鋒，時紅，才碩，武琳，胡秋萍，徐濤，張昆. 2018. 不同灌溉和栽培方式對紅壤性水稻土微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性的影響[J]. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報，30（3）：11-16. [Zhang W F，Shi H，Cai S，Wu L，Hu Q P，Xu T，Zhang K. 2018. Effects of different irrigation and cultivation methods on microbial community structure and diversity in paddy red soil[J]. Acta Agriculturae Jiangxi，30（3）：11-16.]

張笑宇，段宏群，王悶靈，李紅麗，蘆阿虔，王巖. 2018. 輪作與連作對煙田土壤微生物區(qū)系及多樣性的影響[J]. 中國土壤與肥料，（6）： 84-90. [Zhang X Y，Duan H Q，Wang M L，Li H L，Lu A Q，Wang Y. 2018. Effects of rotation and continuous cropping on soil microflora and diversity in tobacco field[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China，（6）： 84-90.]

Buchholz F，Antonielli L，Kostic T，Sessitsch A，Mitter B. 2019. The bacterial community in potato is recruited from soil and partly inherited across generations[J]. PLoS One，14（11）： e0223691.

Chen S M，Waghmode T R，Sun R B，Kuramae E E，Hu C S，Liu B B. 2019. Root-associated microbiomes of wheat under the combined effect of plant development and nitrogen fertilization[J]. Microbiome，7（1）： 136.

Gyaneshwar P，Hirsch A M，Moulin L，Chen W M，Elliott G N，Bontemps C，Santos P E，Gross E，Reis F B，Sprent J I，Young J P W，James E K. 2011. Legume-nodulating Betaproteobacteria： Diversity，host range，and future prospects[J]. Molecular Plant-Microbe Interactions，24（11）：1276-1288.

Hartman K，van der Heijden M G A，Wittwer R A，Banerjee S，Walser J C，Schlaeppi K. 2018. Cropping practices manipulate abundance patterns of root and soil microbiome members paving the way to smart farming[J]. Microbio-me，6（1）：14.

Kobayashi A，Kobayashi Y O，Someya N，Ikeda S. 2015. Community analysis of root-and tuber-associated bacteria in field-grown potato plants harboring different resistance levels against common scab[J]. Microbes and Environments，30（4）：301-309.

Kong A Y Y，Six J，Bryant D C，Denison R F，Kessel C V. 2005. The relationship between carbon input，aggregation，and soil organic carbon stabilization in sustainable cropping systems[J]. Soil Science Society of America Journal，69（4）：1078-1085.

Kumar U，Shahid M，Tripathi R，Mohantya S，Kumar A，Bhattacharyya P，Lal B，Gautam P，Raja R，Panda B B，Jambhulkar N N，Shukla A K，Nayak A K. 2017. Variation of functional diversity of soil microbial community in sub-humid tropical rice-rice cropping system under long-term organic and inorganic fertilization[J]. Ecological Indicators，73（2）： 536-543.

Ling N，Deng K Y，Song Y，Wu Y C，Zhao J，Raza W，Huang Q W，Shen Q R. 2014. Variation of rhizosphere bacterial community in watermelon continuous mono-cropping soil by long-term application of a novel bioorganic fertilizer[J]. Microbiological Research，169（7-8）： 570-578.

Liu D，Ishikawa H，Nishida M，Tsuchiya K，Takahashi T，Kimura M，Asakawa S. 2015. Effect of paddy-upland rotation on methanogenic archaeal community structure in paddy field soil[J]. Microbial Ecology，69（1）： 160-168.

Louca S，Parfrey L W，Doebeli M. 2016. Decoupling function and taxonomy in the global ocean microbiome[J]. Science，353（6305）： 1272-1277.

Zimudzi J，van der Walls J E，Coutinho T A，Cowan D A，Angel V. 2018. Temporal shifts of fungal communities in the rhizosphere and on tubers in potato fields[J]. Fungal Biology，122（9）：928-934.

（責(zé)任編輯 麻小燕）