三七连作根际土壤微生态研究

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三七是一种重要的传统中药材,连作障碍是影响三七可持续种植的一个关键问题。为阐述微生物在连作障碍中的作用,本文使用Biolog微平板检测法和宏基因组测序方法研究三七不同种植年限的根际微生物代谢功能和群落结构;同时,比较了三七健株与病株的微生物群落结构差异,在此基础上,采用传统培养方法分离、鉴定了三七根腐病病原菌。该研究将对揭示三七连作障碍的微生物成因及根腐病的防治提供依据。  首先,研究了不同种植年限根际土壤的微生物代谢功能和群落结构。应用Biolog微平板检测技术研究根际微生物的功能多样性,发现三七种植土壤的平均颜色变化率(AWCD)和多样性指数均显著高于未种植土壤。种植1年根际土壤对碳源的利用能力最强,随着种植年限的增加,碳源利用能力逐渐下降,未种植根际土壤对碳源的利用能力最弱,表明种植三七后根际土壤的微生物功能多样性显著降低。主成分分析表明,不同种植年限的根际土壤微生物对不同碳源的利用效率也存在显著差异。采用Illumina Miseq高通量测序方法分析根际微生物的多样性,结果表明真菌和细菌存在相反的变化趋势。种植1年后根际土壤的细菌丰富度和多样性均显著上升,随着种植年限的增加,细菌的丰富度和多样性逐渐下降,但均高于未种植土壤;种植1年后根际土壤的真菌丰富度和多样性均下降,丰富度和多样性均显著上升,随着种植年限的增加,真菌的丰富度和多样性逐渐增加,但均低于未种植土壤。此外,种植土壤的优势细菌和真菌种属及其丰度也随种植年限的增加而变化,如细菌中的Proteobacteria和 Actinobacteria丰度随着种植年限的增加而逐渐减少,而Acidobacteria(代表性Gp1和Gp2)逐渐增加;真菌中Ascomycota随着种植年限的增加而逐渐减少。可见,种植三七导致根际微生物代谢结构和群落结构均发生明显变化。  其次,采用Illumina Miseq高通量测序比较了三七健株与病株的微生物种群结构的差异,以探究根腐病对微生物多样性的影响。结果表明,病株的细菌和真菌多样性指数均明显小于相应的健株,表明三七发生根腐病后根和根际土壤中细菌和真菌的多样性均下降。主成分分析结果显示,健株和相应病株的细菌和真菌群落结构差异较大。在门水平,变形菌门(Proteobacteria)和子囊菌门(Ascomycota)是所有样品的优势菌,但它们在健株中的丰度低于病株的丰度;而放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、球囊菌门(Glomeromycota)和接合菌门(Zygomycota)在健株中的丰度高于病株的丰度。在属水平,Pseudomonas在病株的丰度高于健株的丰度;Ilyonectria在病株中的丰度占绝对主导地位,达到63.34%~80.14%,显著高于健株(0~0.31%)。参考宏基因组分析结果,通过传统培养方法和致病性实验,鉴定了2种潜在的病原真菌—腐皮镰刀菌DSF1和层生镰刀菌DSF6以及1种潜在的病原细菌—荧光假单胞菌DSB2。以荧光假单胞菌为病原菌,从194株细菌和58株真菌中筛选拮抗菌,获得1株具有稳定拮抗效果的细菌菌株—解淀粉芽孢杆菌PLS3B4,该菌对腐皮镰刀菌也有拮抗活性,但对层生镰刀菌无拮抗效果。  综上所述,种植三七使根际微生物多样性发生变化,短期种植(1年)根际细菌的功能多样性和结构多样性显著增加,真菌多样性则减少;随着种植年限的增加(2-3年),根际细菌的代谢功能和结构多样性下降,而真菌多样性上升,导致根际微生物群落结构失衡,病菌逐渐增多,这可能是三七连作障碍的重要原因之一。
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