马铃薯产量和质量与覆盖作物和土壤微生物组相关

编译：微科盟fofo，编辑：微科盟居居、江舜尧。

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导读

特定作物的耕作方法，包括轮作、覆盖作物种植和施肥，是可持续农业的关键措施，土壤微生物是可持续农业的重要组成部分。本研究旨在确定农艺实践、马铃薯产量和质量以及土壤微生物之间的联系。在一项长期试验中，作者分析了覆盖作物和土壤原核生物、真菌和原生生物群落，不同作物轮作以及施肥对马铃薯产量和质量的影响。当油萝卜直接在马铃薯之前种植时，马铃薯产量可提高16%。在施用粪肥或秸秆+粪浆的情况下，以小麦+油萝卜为前茬作物时，因感染立枯丝核菌诱发的病害和疮痂病而造成的马铃薯品质损失比玉米作前茬作物时低43-63%。这种对比还反映在真菌丰度以及原核生物、真菌和原生生物的β-多样性差异上。这些ASV在马铃薯品质最高的处理中发现，其丰度与其他处理不同，属于厚壁菌门(占序列的2.4%)和Mortierellaceae (28%)，它们都包含植物病原体的潜在拮抗菌。在原生生物中，Lobosa(特别是Copromyxa)在优质马铃薯地块中的丰度比其他所有生物高62%，这表明特定的高营养生物可以提高作物产量。本研究结果表明，马铃薯的成功种植与(1)先种油萝卜后种马铃薯以提高产量以及(2)施用粪肥或秸秆+粪浆以丰富对作物有益的微生物类群有关。

论文ID

原名：Potato yield and quality are linked to cover crop and soil microbiome, respectively

译名：马铃薯产量和质量与覆盖作物和土壤微生物组相关

期刊：Biology and Fertility of Soils

IF：6.5

发表时间：2024.4

通讯作者：Michael Hemkemeyer

通讯作者单位：Rhine-Waal University of Applied Sciences(德国)

DOI号：10.1007/s00374-024-01813-0

实验设计

结果

1.长期作物产量

当前一种经济作物是冬小麦，且在两者之间种植油萝卜作为覆盖作物时，马铃薯产量增加了11-16% (F=49.7, p<0.001，图1a)。在油萝卜上施用不同的肥料对马铃薯产量没有进一步的影响。若轮作中青贮玉米种植于油萝卜和马铃薯之间，马铃薯产量比完全不种植覆盖作物的处理低8%或无显著差异。相比之下，在玉米作为马铃薯前茬作物的两种处理中，玉米产量比所有其他处理高4% (F=4.37, p=0.007，图1b)，而小麦产量在任何种植处理中都没有差异(F=1.51, p=0.230，图S2a)。在6次轮作期间，忽略极端年份2010年，在不同的种植模式下，马铃薯产量与2004年第一次收获相比下降了36-44% (F=533.9, p<0.001，图1a)。

表1.三年作物轮作周期，不同处理的因素不同(T)。经济作物和覆盖作物的管理分别用灰色和空白背景突出显示。

图1.轮作期间马铃薯(a)和青贮玉米(b)的产量，马铃薯品质通过病原菌链霉菌诱导的疮痂病(c)、立枯丝核菌诱导的黑痣病(d)和干腐病(e)以及Helminthosporium solani诱导的银腐病(f)的感染表明。菱形代表四个重复的均值；字母表示处理间差异显著(p < 0.05)。

2.马铃薯品质

玉米作为前茬作物对马铃薯品质的影响最大，相比之下，小麦+油萝卜作为前茬作物，施用粪肥或秸秆+粪浆，马铃薯的疮痂病和黑痣病感染率分别降低了63% (Χ2 = 26.5, p < 0.001，图1c)和43%(Χ2 = 26.1, p < 0.001，图1d)。在干腐病感染率中观察到类似的结果，在施用秸秆和粪浆后，马铃薯干腐病感染率降低了58% (Χ2 = 29.5, p < 0.001，图1e)，但银腐病感染率较小麦+油萝卜(单施矿物质肥和单施秸秆)提高了52% (Χ2 = 17.9, p = 0.006，图1f)。尽管在特定年份有明显的影响，但不同的栽培方法对马铃薯畸变(Χ2 = 9.41, p = 0.152)、黑点病(Χ2 = 6.56, p = 0.363)和线虫病害(Χ2 = 4.14, p = 0.658)没有长期影响(图S2b-d)。与产量一样，在所有轮作系统中，马铃薯质量随着时间的推移而下降，即疮痂病发病率增加3-9倍，黑痣病发病率增加16-49倍(2019年除外)，干腐病发病率增加14-65倍，银腐病发病率增加1.2-3.1倍(图1c-f，表S3)，2019年线虫病害明显。

3.土壤非生物特性

在整个试验过程中，施用粪肥或秸秆+粪浆的小麦+油萝卜作前茬处理的土壤有机质(SOM)和镁(Mg)含量分别比春耕玉米作为前茬作物高出9-12%和13-15%。这两种处理的土壤磷(P)含量和钾(K)含量比其他大多数处理分别高13-21%和21-27% (图S3a-d，表S4)。秋季种植油萝卜区域的土壤无机氮含量相较于不种植覆盖作物的区域低3倍(F = 9.0, p < 0.001，图S3e)。土壤pH值在所有处理中无显著变化(图S3f，表S4)。

4.2019年和2015年植物和土壤非生物特性

与上述长期结果相反，在2019年马铃薯收获时，不同处理之间的植株品质几乎没有差异(表S3)。同样，未观察到不同处理对土壤非生物因子的影响(表2)。

土壤水稳性团聚体含量为62%，pH为6.4。C和N的总含量分别为11.7 mg/g和0.95 mg/g，可提取养分P和K的含量分别为65.7 μg/g和181 μg/g(表2)。早在2015年2月，当在作物轮作的另一个阶段进行采样时，几乎没有观察到任何非生物特征的差异(补充表S5，图S4a)。

表2. 2019年10月采收样品的非生物土壤因子(n=4)。

5.2019年和2015年微生物丰度、活性和α多样性

在2019年马铃薯收获时，微生物生物量C不受轮作模式的影响，微生物衍生的N、P、Mn和微生物元素摩尔比(C:N:P 13:2:1)以及代谢商qCO2也不受影响(表3)。然而，ITS1拷贝数表明，与玉米作为前茬作物相比，施用粪肥或秸秆+粪浆的小麦+油萝卜作前茬时，马铃薯的真菌丰度要高42% (F = 7.05, p < 0.001, 图2a)。相比之下，细菌和古菌16S rRNA基因拷贝数及微生物比例对不同轮作处理没有显著反应(表3，细菌:古菌:真菌70:2:1)。观察到原核生物、真菌和原生生物扩增子序列变异(ASVs)的丰富度、多样性指数、均匀度(除原生生物外)也不受轮作处理的影响(表S6，图S4b)。除了少数例外，这些模式与2015年(表S5，图S4c)和播种时(表3，图2b-d，表S6，图S4d)的抽样调查结果一致。

图2. 2019年10月(a)和2019年5月(b)样品中的真菌丰度以及2019年5月细菌(c)、古菌和真菌比例(d)。菱形代表四个重复的平均值；字母表示处理间差异显著(p < 0.05)；方差分析(F)和Scheirer-Ray-Hare检验(H)的统计结果为：F = 7.05，p < 0.001；b：H = 12.94，p = 0.044；c：F = 9.02，p < 0.001；d：F = 12.29, p < 0.001。

表3. 2019年10月和5月采收样品的生物土壤因子(n = 4)。

6.2019年不同轮作处理的微生物β多样性和分类群差异

在原核生物群落中，两组处理在收获时聚类最为集中：一组是小麦+油萝卜作为前茬且施用粪肥或秸秆+粪浆的处理，另一组是玉米作为前茬作物的处理(F = 1.16, p = 0.009，图3a)。对于真菌(F = 1.63, p = 0.001，图3b)和原生生物(F = 1.46, p = 0.001，图3 c)，不同前茬作物的处理聚类更为明显。在小麦为前茬作物的情况下，通过施用秸秆+粪浆进一步分离真菌。在播种时，上述三个微生物群中的集群彼此之间的分离程度更高(图4)。微生物群落组成概述见补充结果S1和图S5-S7。

收获时不同轮作处理的微生物ASVs差异分析表明，在施用粪肥或秸秆+粪浆的小麦+油萝卜前茬处理中，0.5%的原核生物约占总文库序列的3%，而在其他处理中，它们占总序列的1.3-1.6%。对这一处理的影响最大的是厚壁菌门(Firmicutes, 2.0-2.4%)，包括Bacilli、梭菌(Clostridia)和丹毒丝菌(Erysipelotrichia)(图5，表S7)。玉米作为前茬作物的两种处理共有一种链霉菌(Streptomyces) ASV (Zotu569，放线菌门，0.06%)，根据BLAST，该菌株与疮痂病诱导物种无关。

在真菌中，8%的ASVs在不同轮作处理之间存在差异，其中大多数只能分类到亚门或纲水平(图6，表S8)。而在大多数处理中，它们占总序列的3-10%，在秸秆+粪浆处理下达到38%。这种处理方式产生了几种ASVs，包括Mortierella/Mucoromycotina(28%)和Pezizomycotina/Pezizomycetes(子囊菌门，9%)。玉米作为前茬作物的两种处理共有Acremonium persicinum(子囊菌门，0.3%)。

此外，秸秆+粪浆处理中3%的原生动物ASVs差异最大，占序列的18%，而其他处理的差异在11-14%之间。在本研究中，Neoheteromata-ASV (丝足虫，3.2%)的丰度是其他生物的2.3倍(图7，表S9)。然而，在秸秆+粪浆处理和施肥处理中，Lobosa ASVs中Copromyxa和Ochrophyta的数量分别比其他处理高62%和2倍。在玉米为前茬作物的处理中，Chlorophyta ASVs丰度高64%。

在计算播种和收获数据的β多样性时，NMDS和PERMANOVA表明，采样时间对原核生物群落(F = 3.50, p = 0.001)、真菌群落(F = 4.66, p = 0.001)和原生生物群落(F = 8.22, p = 0.001)的组成有很强的影响，而处理和采样时间之间没有显著的交互作用(p ≥ 0.478)。播种时的原核生物、真菌和原生生物ASVs的百分比及其对各自文库的贡献率大于收获，分别为0.8%(文库贡献率3.0-6.9%)、14% (9.2-45.7%)和4.7% (15.9-25.4%)。此外，50个差异丰富ASVs在两次采样中存在差异(图5-7,图S8-10, 表S10-12)。然而，一些在收获时显示出差异的ASVs在播种时已经表现出了这些差异，如厚壁菌门(如Zotu10、290、697)、Streptomyces (Zotu629、569)、Mucoromycotina (Zotu310、12、128)、Pezizomycetes (Zotu87、1791)、A. persicinum (Zotu1279)、Plasmodiophorida (Zotu16)、Neoheteromita (Zotu7)、Prasiolales (Zotu167)、Cercozoa (Zotu43)和Sandonidae(Zotu100)等ASV。

图3. 2019年10月收获时，对青贮玉米(SM)、冬小麦(WW)、油萝卜(OR)和马铃薯(P)不同轮作处理的非度量多维标度分析。

图4. 2019年5月播种时，对青贮玉米(SM)、冬小麦(WW)、油萝卜(OR)和马铃薯(P)不同轮作处理的非度量多维标度分析。PERMANOVA结果为a：F = 1.232, p = 0.001；b：F = 2.006, p = 0.001；c：F = 1.574, p = 0.001。

图5. 2019年10月收获时，马铃薯种植处理之间显著差异丰富的前50个原核生物ASV。

图6. 2019年10月收获时，马铃薯种植处理之间显著差异真菌ASV。

图7. 2019年10月收获时，马铃薯种植处理之间显著差异丰富的前50个原生生物ASV。

讨论

1.马铃薯产量及油萝卜作为覆盖作物的作用

在本研究中，小麦作为前茬经济作物+油萝卜作为覆盖作物组合下的马铃薯产量最高。不同种植方式导致土壤长期特性(SOM、P、K、Mg)存在差异，但其模式与产量不匹配，因此产量与这些养分浓度之间不存在相关性。对于2015年和2019年的采样，土壤的养分状况几乎没有任何差异，即对马铃薯产量的假设2被否定。此外，微生物丰度、活性和α-多样性的差异(假设3-5)，也与产量无关。微生物β多样性也是如此。因此，马铃薯产量可能与覆盖作物的存在或其在轮作中的位置有关。

不种植覆盖作物的处理马铃薯产量较低，可能与施肥次数有关。此外，油萝卜种植后(T2-T8)的土壤无机氮含量低于小麦休耕后(T1)的土壤无机氮含量。尽管省略了施肥这一因素，但表明覆盖作物对氮的吸收具有影响。被吸收的养分留在田间，并在覆盖作物腐烂时释放出来。一方面，覆盖作物及其附带的肥料代表了额外营养物质的直接投入，另一方面，它防止了通过浸出(如硝酸盐)或气体排放(如一氧化二氮)等造成的营养物质流失。因此，去掉油萝卜作为覆盖作物处理的马铃薯失去了进一步的营养。因此，关于产量的假设2被否定，因为相应的养分不是储存在土壤中，而是储存在覆盖作物中。

当玉米是马铃薯的前茬作物时，油萝卜在玉米前一年种植，同样观察到玉米受益于覆盖作物，在有覆盖作物的处理中玉米产量更高。相比之下，小麦总是种植在覆盖作物之前，没有表现出直接的产量效益。因此，在马铃薯之前直接种植覆盖作物，是导致马铃薯产量差异的直接原因，而不是小麦或玉米作为前茬作物的直接影响。之前也有研究发现油萝卜对马铃薯产量具有正面影响。由于青贮玉米的收获时间晚于冬小麦，因此没有足够的时间用于覆盖作物的后续生长以获得足够的氮吸收。因此，当玉米作为前茬作物时，通过阻止覆盖作物储存养分，从而对马铃薯产量产生间接影响，即关于马铃薯产量的假设1得到证实。

2.马铃薯品质与微生物群落

施用有机肥或秸秆+粪浆的小麦+油萝卜处理与玉米作前茬处理相比，马铃薯长期品质最高，疮痂病、黑痣病和干腐病感染最低。高品质伴随着长期高含量的可提取P和K，而这两种对比处理仅符合部分SOM和可提取Mg的长期模式，即假设2部分被证实，即质量取决于土壤养分状况。更高的养分供应可以增强植物对病原体的抵抗力。在马铃薯品质几乎没有任何差异的2019年，土壤非生物特征也无显著差异。与2015年的非生物因素类似，但也伴随着微生物丰度、活性和α-多样性的缺失。

然而，2019年的真菌丰度是个例外，它确实与长期的质量模式相吻合，且呈正相关，也就是说，假设3主要因马铃薯质量被否定而非真菌。在2015年的样品中没有观察到类似的真菌结果，当时该地区处于作物轮作的另一阶段，两个特征处理(T6和T8)未包括在qPCR分析中。然而，2019年原核生物、真菌和原生生物的β-多样性模式与马铃薯长期质量模式相匹配。不同的种植方法，即前茬作物(小麦vs.玉米，包括耕作强度和农药施用的差异)和不同施肥方式导致微生物群落组成的变化。例如，关于与覆盖作物相关的不同类型的施肥，以矿物形式提供的养分比以有机形式提供的养分更能解释微生物物种问题。2004年至2016年不同处理的疾病抑制与2019年真菌丰度和微生物β多样性模式相匹配，这可能与微生物遗留效应有关。相比之下，银腐病在块茎感染率最低或最高表现出不同的规律，而黑点病则不受轮作模式的影响。因此，关于马铃薯质量的假设的正确性取决于疾病的种类。

不种植覆盖作物导致休耕期的效果不明显，因为这种处理下马铃薯的发病率在所有处理中属于中等。微生物群落聚集在两个对比组之间，以及其他不使用动物源性肥料的小麦茬前处理中。与之前研究中的Meta分析结果相反，在本研究中，与不种植覆盖作物相比，种植覆盖作物对微生物丰度、活性或多样性没有显著影响，即假设1与假设3-5无相关性。对于马铃薯集约化生产中的真菌群落，有研究表明，尽管每三年轮作一次，它们仍将转向以马铃薯为食的群落。

3.播种与收获时ASVs的比较

在播种马铃薯时，其最近的根际遗留效应来自先前三种不同的前茬作物，即油萝卜、玉米或小麦。在马铃薯生长期间，不同ASVs的贡献数量和总和随着植物多样性的减少而减少(从三种前茬作物作物到一种主要作物)，这揭示了在进行土壤微生物调查时考虑前茬作物遗留效应的重要性。然而，在播种与收获这两个时间点都发现了一些与某种处理方法有特定联系的ASVs。由于许多ASVs被归类为孢子形成体或表现出其他类型的持久性(如休眠)，不活跃的细胞可能导致了这些观察到的模式。然而，这些ASVs中有几种包括潜在的拮抗菌和植物根际促生菌，它们可能在影响马铃薯质量方面发挥作用。由于在试验开始时和整个19年的试验中都没有进行微生物学调查，因此只能推测过去马铃薯品质是否涉及相同或相似的微生物类群。

4.影响马铃薯品质的微生物

在施用粪肥和秸秆+粪浆的情况下，厚壁菌门产生了差异，厚壁菌门能够处理新鲜和简单的基质，有些类群甚至能专门处理尿液，在食物来源减少后，它们的细胞可以以孢子的形式存活。粪肥和粪浆处理对细菌群落组成的影响主要是培养本地群落成员，而不是建立外源家畜肠道细菌群落。在抑制病害的菌属中，常见的有芽孢杆菌物种/分离株，能够抑制疮痂病、立枯丝核菌诱导的疾病和银腐病。有几种芽孢杆菌物种/分离株通常被认为是土豆的植物根际促生菌。类芽胞杆菌(Paenibacillus)是一种已知的能够拮抗立枯丝核菌的细菌，而Lysinibacillus、Clostridium sensu stricto和Turicibacter则在土壤(块茎周围的土壤)中富集，这与疮痂病发病率的降低有关。

在秸秆+粪浆处理中的Pezizomycotina/Pezizomycetes中发现Ascodesmis并不令人惊讶，因为该属虽然也存在于土壤中，但严格亲粪，而且Mortierellaceae的一些成员也是从粪便中分离出来的。后一个菌科经常被报道能够降解几丁质，其中一个Mortierella成员对常见的诱导疮痂病的链霉菌(Streptomyces spp.)具有拮抗作用。在马铃薯单一栽培下，随着时间的推移，容易产生病原菌，Mortierellales的丰度降低。

在原生动物变形虫中，一些噬菌物种也以孢子为食，因此可能是植物病原真菌的潜在捕食者。因此在粪肥/秸秆+粪浆处理中出现Copromyxa spp.并不奇怪，因为这些都是亲粪生物，部分采用“黏菌”生活方式。因此，在促进植物生长和抑制疾病方面，导致马铃薯品质最高的处理中含有更多有益的原核生物、真菌和原生生物类群，即证实了关于马铃薯品质的假设6。

在玉米为前茬作物的处理中，不同的耕作时间点导致不同的ASVs。然而，一些ASVs在两者中都很常见。随着时间的推移，马铃薯单一栽培中Acremonium的数量增加，更易染病。由于链霉菌的ASVs不能进一步鉴定，它们的作用尚不清楚。许多非致病性链霉菌也是常见的PGPR和疾病抑制因子，能够抑制常见的疮痂病和银腐病。尽管染病率随着时间的推移而增加，但如补充讨论S1所述，2019年样本中几乎没有检测到植物病原体的ASVs。

5.研究设计的局限性

田间试验的设计基于区域马铃薯种植和作物轮作处理，因此没有因子设计。因此，有些因素无法辨别。在小麦(T1-T6)和玉米(T7-T8)分别作为前茬作物的处理中，耕作强度和病虫害管理并不相同，这可能对结果产生影响。此外，当2019年完成微生物群落分析的采样时，马铃薯品质首次没有显示出显著差异。然而，微生物群落丰度、活性和多样性仅在2019年有马铃薯时进行了分析，而在2015年的上一个轮作周期中，没有马铃薯。这些群落代表了不同处理下5到6个作物轮作周期的遗留和采样时间，因为在较早的周期中没有进行伴随采样，因此无法解答这些问题。然而，作者仍然认为，主要影响来自前茬作物的遗留效应。

上文讨论的结果尤其代表了上一个轮作周期的情况，但也可能显示出轮作和管理差异的印记。如果未来的长期试验将农艺和微生物测量结合起来，不断记录微生物组的潜在时间变化，以及对马铃薯产量和品质的潜在影响，将具有很高的价值。然而，在当前的研究中，这几乎是不可能的。因此，作者强烈呼吁进行与农业实践相关的真正的跨学科研究。

结论

在马铃薯种植的六个三年轮作周期中，在前茬作物/耕作强度、覆盖作物种植和施肥类型方面各不相同，对产量和质量产生了明显的影响。一方面，2019年原核生物、真菌和原生生物的群落组成反映了马铃薯在疮痂病和立枯丝核菌引起的病害方面的长期品质差异。小麦+油萝卜组合且施粪肥或秸秆+粪浆处理与玉米作前茬作物处理的效果相反。在第一组处理中发现的几种ASVs与较高的马铃薯品质相关，可能是由植物根际促生菌或植物病原体拮抗菌引起的。在当前的长期试验中，这些分类群是否已经更早地参与了马铃薯品质的改善，还有待研究。第一组处理真菌丰度最高，土壤磷、钾长期含量也最高。另一方面，轮作中是否种植覆盖作物以及覆盖作物在轮作周期中的位置都会影响马铃薯的产量。本研究表明，在马铃薯前种植一种覆盖作物，并施用粪肥或秸秆+粪浆，以获得高产量和高品质。未来的长期农艺试验应该从一开始就考虑微生物分析。这种联合监测还可以考虑到由于时间变化而产生的动态变化，从而能够理清农艺管理、作物种类和土壤微生物群落之间相互作用的短期和长期影响。