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人参栽培产业是吉林省农业生产的特色产业之一,目前，种植面积稳定在4000-5000万平方米，总产值已经达到550亿元(2017年)。由于人参是忌连作作物，土壤经过一茬参苗(一般2-3年)或一茬做货参(一般4-6年)栽培后，土壤不能继续栽参，民间熟称“老参地”。与新林土土壤相比，“老参地”土壤已经无法保障人参的正常生长，主要表现为：人参保苗率低，根须大量脱落,病害严重，产量和品质下降，土壤学称之为土壤的作物连作障碍。目前，“老参地”问题制约人参种植产业的发展，致使吉林省适宜种植人参的土地资源逐渐耗竭。若该问题持续发酵，必将成为未来困扰吉林省非林地人参种植的技术难题。因此，开展人参连作障碍机制的微生物机理研究，从根源上揭示“老参地”成因，对今后在人参栽培生产实践中杜绝“老参地”、实现吉林省人参产业的永续发展具有着重要意义。
本论文分别以长白县新开森林土壤、老参地土壤(休耕2年林地人参土)、新开林栽培人参土壤(2年)和农田栽参土壤(2年)为供试土壤，采用高通量测序的方法，对土壤的原核微生物群落结构及代谢途径和真核微生物群落结构进行了初步研究，研究结果如下：
1.本研究共获得操作分类单元原核微生物5561个，其中新开林土壤1013个，新开林人参土壤1150个，老参地1101个，非林地农田人参土1027个；真核微生物操作分类单元2463个，其中新开林土壤326个，新开林人参土壤538个，老参地612个，非林地农田人参土494个，样本文库的覆盖率达到99%以上，可以反映土壤样本真核微生物种群的实际情况；
2.相对于新开林土壤来说，栽培人参后，林地与非林地土壤原核微生物多样性增加。人参栽培只改变了原核微生物的物种丰富度但未改变原核微生物的物种均匀度；但是，真核微生物的物种丰富度，物种均匀度均被改变，开始出现优势种群；
3.通过主成分及主坐标轴分析，人参栽培改变了土壤原核微生物和土壤真核微生物的群落结构组成，新开林土壤、新开林人参土、非林地农田人参土壤具有不同的微生物群落结构；
4.在原核微生物群落结构组成上，林地与非林地土壤在门分类水平上绝大多数具有相似的物种：Proteobacteria(变形菌门),Acidobacteria(酸杆菌门),Actinobacteria(放线菌门),Verrucomicrobia(疣微菌门),Gemmatimonadetes(芽单胞菌门),Chloroflexi(绿弯菌门),Bacteroidetes(拟杆菌门),Nitrospirae(硝化螺旋菌门),但林地土壤与非林地土壤仍然在两个门上存在较大差异，其中Cyanobacteria(蓝细菌)、Candidate_division_TM7在非林地土壤的相对丰度明显高于林地土壤；新开森林土壤Proteobacteria(变形菌门)的原核微生物相对丰度(30%左右)要低于人参栽培后土壤，人参栽培对土壤Proteobacteria种群具有刺激作用，导致非林地土壤和老参地土壤具有相对较高的丰度(40%左右)；新开垦林地包括Edaphobacter等的注释物种81个属；老参地林地有Acidobacterium等注释的物种104个属；农田人参土含有Telmatobacter等注释物种106个属；林地与非林地农田土较新开林地土壤新增加了Acidobacterium、Telmatobacter、Holophaga、Geodermatophilus、Angustibacter、Phycicoccus、Aeromicrobium、Crossiella、Flavisolibacter、Niastella、Pedobacter、Nitrolancea、Methylorosula、Methylovirgula、Pseudolabrys、Acidiphilium、Inquilinus、Ralstonia、Herminiimonas、Nitrosomonas、Dyella、Luteimonas等22个属。
5.在真核微生物群落结构组成上，森林土壤与非林地农田土壤在真菌的种群组成上差异显著，森林土壤Basidiomycota(担子菌)的相对丰度高达80%，其次是Ascomcota(子囊菌)和Zygomycota(接合菌)，而Chytridiomycota(壶菌)、Glomeromycota(球囊菌)Rozellomycota(芽枝霉)、Cercozoa(新美鞭菌)的相对丰度较低；在非林地农田土壤中Basidiomycota(担子菌)的相对丰度只有10%，Ascomcota(子囊菌)的相对丰度较高(约45%左右)，其它未注释物种的相对丰度也高达40%；老参地Basidiomycota(担子菌)的相对丰度高在10%以下，而栽培人参后土壤中Basidiomycota(担子菌)的相对丰度的下降是共性，说明人参栽培对Basidiomycota(担子菌)和Ascomcota(子囊菌)的影响最大，对担子菌表现为抑制作用，使其相对丰度降低，但可以促进或诱导土壤子囊菌相对丰度的增加。森林土壤的含有Archaeorhizomyces等注释物种60个属；非林地农田土壤包括Cladosporium属等70个属；老参地土壤的包括Cenococcum属等82个属；人参栽培后共有25个相同的属，分别是：Cladosporium、Exophiala、Penicillium、Staphylotrichum、Tetracladium、Xenopolyscytalum、Geomyces、Chaetosphaeria、Pochonia、Hypocrea、Trichoderma、Acremonium、Ilyonectria、Fusarium、Nectria、Chaetomium、Humicola、Apodus、Monographella、Malassezia、Mrakia、Cryptococcus、Cryptococcus、Dioszegia、Trichosporon等；老参地与非林地农田的共有属包括Pseudogymnoascus属等50个属。
6.栽培人参后，新开林地土壤、林地人参土壤与老参地土壤中微生物种群和群落结构发生了明显变化，其中原核微生物群落仍以Acidobact-eria(酸杆菌门)和Proteobacteria(变形杆菌门)的细菌为主；土壤真核微生物仍以Basidiomycota(担子菌)和Ascomcota(子囊菌)的真菌为主，表现出子囊菌之间增多、担子菌不断减少的趋势。无论土壤原核微生物还是土壤真核微生物，优势种群都发生了改变，原来土壤中相对丰度较高的种类相对丰度显著降低，而相对丰度较低的物种相对丰度升高，并发生了种群更替。值得注意的是：从森林土壤土著微生物物种缺失(绝灭)方面来讲，进行人参栽培后，新开林地土壤向老参地土壤转变过程中，土壤中原核微生物缺失9种，真核微生物缺失了29种，而老参地较新开林土壤原核微生物和真核微生物物种分别缺失了41种和46种，从新开林森林土壤到老参地土壤原核微生物物种共缺失50种，真核微生物物种共缺失75种。原森林土壤125个物种的缺失灭绝，导致原森林土壤生态系统的稳定性下降，是导致外来物种增加的内因。
7.通过KEGG分析发现，土壤微生物群落从土壤摄取的营养物质包括碳水化合物、脂肪、蛋白质、氨基酸、辅助因子及维生素等，其中碳水化合物、脂肪和蛋白质、氨基酸是机体的主要能源。在人参栽培后，新开林向老参地转变过程中，代谢基因的上调和下调几乎找不到趋势性变化，但在能量代谢及代谢总览两个方面，新开林土壤均高于新开林人参土壤，而新开林人参土壤高于老参地。由此可见，老参地的形成过程是一个土壤生态系统群落能量降低的过程，这就意味着老参地形成过程中，土壤生态系统能量不断降低，导致土壤原有功能逐渐丧失。
通过一系列的研究，本文总结人参连作障碍的微生物学机理：(1)土壤微生物群落结构发生明显变化，原森林土壤大量物种的缺失灭绝，导致原森林土壤生态系统的稳定性下降，导致与人参病害有关的外来物种的入侵；(2)土壤微生物群落代谢功能和能量代谢的下降，造成土壤原生态系统原有功能逐渐丧失和改变，最终导致人参的连作障碍。
本论文分别以长白县新开森林土壤、老参地土壤(休耕2年林地人参土)、新开林栽培人参土壤(2年)和农田栽参土壤(2年)为供试土壤，采用高通量测序的方法，对土壤的原核微生物群落结构及代谢途径和真核微生物群落结构进行了初步研究，研究结果如下：
1.本研究共获得操作分类单元原核微生物5561个，其中新开林土壤1013个，新开林人参土壤1150个，老参地1101个，非林地农田人参土1027个；真核微生物操作分类单元2463个，其中新开林土壤326个，新开林人参土壤538个，老参地612个，非林地农田人参土494个，样本文库的覆盖率达到99%以上，可以反映土壤样本真核微生物种群的实际情况；
2.相对于新开林土壤来说，栽培人参后，林地与非林地土壤原核微生物多样性增加。人参栽培只改变了原核微生物的物种丰富度但未改变原核微生物的物种均匀度；但是，真核微生物的物种丰富度，物种均匀度均被改变，开始出现优势种群；
3.通过主成分及主坐标轴分析，人参栽培改变了土壤原核微生物和土壤真核微生物的群落结构组成，新开林土壤、新开林人参土、非林地农田人参土壤具有不同的微生物群落结构；
4.在原核微生物群落结构组成上，林地与非林地土壤在门分类水平上绝大多数具有相似的物种：Proteobacteria(变形菌门),Acidobacteria(酸杆菌门),Actinobacteria(放线菌门),Verrucomicrobia(疣微菌门),Gemmatimonadetes(芽单胞菌门),Chloroflexi(绿弯菌门),Bacteroidetes(拟杆菌门),Nitrospirae(硝化螺旋菌门),但林地土壤与非林地土壤仍然在两个门上存在较大差异，其中Cyanobacteria(蓝细菌)、Candidate_division_TM7在非林地土壤的相对丰度明显高于林地土壤；新开森林土壤Proteobacteria(变形菌门)的原核微生物相对丰度(30%左右)要低于人参栽培后土壤，人参栽培对土壤Proteobacteria种群具有刺激作用，导致非林地土壤和老参地土壤具有相对较高的丰度(40%左右)；新开垦林地包括Edaphobacter等的注释物种81个属；老参地林地有Acidobacterium等注释的物种104个属；农田人参土含有Telmatobacter等注释物种106个属；林地与非林地农田土较新开林地土壤新增加了Acidobacterium、Telmatobacter、Holophaga、Geodermatophilus、Angustibacter、Phycicoccus、Aeromicrobium、Crossiella、Flavisolibacter、Niastella、Pedobacter、Nitrolancea、Methylorosula、Methylovirgula、Pseudolabrys、Acidiphilium、Inquilinus、Ralstonia、Herminiimonas、Nitrosomonas、Dyella、Luteimonas等22个属。
5.在真核微生物群落结构组成上，森林土壤与非林地农田土壤在真菌的种群组成上差异显著，森林土壤Basidiomycota(担子菌)的相对丰度高达80%，其次是Ascomcota(子囊菌)和Zygomycota(接合菌)，而Chytridiomycota(壶菌)、Glomeromycota(球囊菌)Rozellomycota(芽枝霉)、Cercozoa(新美鞭菌)的相对丰度较低；在非林地农田土壤中Basidiomycota(担子菌)的相对丰度只有10%，Ascomcota(子囊菌)的相对丰度较高(约45%左右)，其它未注释物种的相对丰度也高达40%；老参地Basidiomycota(担子菌)的相对丰度高在10%以下，而栽培人参后土壤中Basidiomycota(担子菌)的相对丰度的下降是共性，说明人参栽培对Basidiomycota(担子菌)和Ascomcota(子囊菌)的影响最大，对担子菌表现为抑制作用，使其相对丰度降低，但可以促进或诱导土壤子囊菌相对丰度的增加。森林土壤的含有Archaeorhizomyces等注释物种60个属；非林地农田土壤包括Cladosporium属等70个属；老参地土壤的包括Cenococcum属等82个属；人参栽培后共有25个相同的属，分别是：Cladosporium、Exophiala、Penicillium、Staphylotrichum、Tetracladium、Xenopolyscytalum、Geomyces、Chaetosphaeria、Pochonia、Hypocrea、Trichoderma、Acremonium、Ilyonectria、Fusarium、Nectria、Chaetomium、Humicola、Apodus、Monographella、Malassezia、Mrakia、Cryptococcus、Cryptococcus、Dioszegia、Trichosporon等；老参地与非林地农田的共有属包括Pseudogymnoascus属等50个属。
6.栽培人参后，新开林地土壤、林地人参土壤与老参地土壤中微生物种群和群落结构发生了明显变化，其中原核微生物群落仍以Acidobact-eria(酸杆菌门)和Proteobacteria(变形杆菌门)的细菌为主；土壤真核微生物仍以Basidiomycota(担子菌)和Ascomcota(子囊菌)的真菌为主，表现出子囊菌之间增多、担子菌不断减少的趋势。无论土壤原核微生物还是土壤真核微生物，优势种群都发生了改变，原来土壤中相对丰度较高的种类相对丰度显著降低，而相对丰度较低的物种相对丰度升高，并发生了种群更替。值得注意的是：从森林土壤土著微生物物种缺失(绝灭)方面来讲，进行人参栽培后，新开林地土壤向老参地土壤转变过程中，土壤中原核微生物缺失9种，真核微生物缺失了29种，而老参地较新开林土壤原核微生物和真核微生物物种分别缺失了41种和46种，从新开林森林土壤到老参地土壤原核微生物物种共缺失50种，真核微生物物种共缺失75种。原森林土壤125个物种的缺失灭绝，导致原森林土壤生态系统的稳定性下降，是导致外来物种增加的内因。
7.通过KEGG分析发现，土壤微生物群落从土壤摄取的营养物质包括碳水化合物、脂肪、蛋白质、氨基酸、辅助因子及维生素等，其中碳水化合物、脂肪和蛋白质、氨基酸是机体的主要能源。在人参栽培后，新开林向老参地转变过程中，代谢基因的上调和下调几乎找不到趋势性变化，但在能量代谢及代谢总览两个方面，新开林土壤均高于新开林人参土壤，而新开林人参土壤高于老参地。由此可见，老参地的形成过程是一个土壤生态系统群落能量降低的过程，这就意味着老参地形成过程中，土壤生态系统能量不断降低，导致土壤原有功能逐渐丧失。
通过一系列的研究，本文总结人参连作障碍的微生物学机理：(1)土壤微生物群落结构发生明显变化，原森林土壤大量物种的缺失灭绝，导致原森林土壤生态系统的稳定性下降，导致与人参病害有关的外来物种的入侵；(2)土壤微生物群落代谢功能和能量代谢的下降，造成土壤原生态系统原有功能逐渐丧失和改变，最终导致人参的连作障碍。