种植年限对滇重楼品质及土壤微生物的影响研究

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滇重楼为重要的药用植物,市场需求大,生长缓慢,人工栽培是缓解其资源的有效途径之一,但在栽培过程中,随着栽培年限的增加,根腐等病害逐年增多,连作障碍越发严重,已成为滇重楼种植产业发展的瓶颈。但目前有关其连作产生的原因与机理,以及过程中活性成分的变化规律尚不明晰;阐明滇重楼种植过程中土壤微生物和活性成分的变化规律,对解决滇重楼产业可持续发展具有重要意义。鉴于此,本研究以同一栽培环境条件下,连续种植2年、3年、5年和6年的滇重楼及其根际土壤为研究对象,采用UPLC-MS、ICP-OES和高通量测序技术,对其活性成分变化规律及其合成关键酶表达差异,以及根际土壤的理化性质和土壤微生物群落组成及其多样性等进行了研究,以期从多角度阐释滇重楼品质形成和连作障碍形成机理,为滇重楼科学栽培提供科学参考。取得如下结果:(1)滇重楼中6种皂苷类活性成分在不同种植年限间呈现波动变化趋势,与种植年限无显著相关。PCA、PLS-DA和HCA分析结果表明,不同生长年限样品间可显著分类,且6年生滇重楼样品点与2年,3年和5年生距离较远。(2)随着种植年限增加,滇重楼根际土壤中的养分呈现波动变化趋势,p H降低,土壤呈酸化趋势。滇重楼土壤在种植6年后微量元素含量与2年、3年和5年生的存在显著差异,B、Mn、Zn和Fe含量整体呈现降低的趋势,Cu呈现上升的趋势。(3)随着种植年限增加,滇重楼根际土壤的细菌、真菌多样性下降,细菌丰富度下降,真菌丰富度上升;其中Actinobacteriota、Chloroflexi、Gemmatimonadota、Latescibacterota和Methylomirabilota门类细菌丰度下降,Arthropoda、Ciliophora和Platyhelminthes真菌的相对丰度上升,Streptophyta在种植滇重楼后丰度下降,而随种植年限增加丰度上升。LEf Se分析表明,滇重楼种植后土壤中的细菌Nitrosomonadaceae、Actinobacteria、Acidobacteria和Chloroflexi,以及真菌Hemiptera、Arthropoda、Oomycetes和Polypodiales的丰度差异最大。(4)患病与健康滇重楼的根际土壤比较表明,患病滇重楼土壤中除Cu外,土壤养分、p H和其他微量元素均低于健康滇重楼的根际土壤;滇重楼患病后微生物丰度发生变化,其中Actinobacteria、Chlorophyta、Cnidaria和Streptophyta等细菌和真菌在患病滇重楼土壤中多于健康土壤。LEf Se分析结果表明,患病和健康滇重楼土壤中细菌Porticoccaceae和Elsterales、真菌Apiales和Trematoda的丰度差异最大。(5)滇重楼不同种植年限的间DEGs数量不同,基因功能注释集中在生物学过程、细胞成分和分子功能过程,主要包括cellular process、cell part和catalytic activity等功能;2年生vs 3年生、2年生vs 5年生、2年生vs 6年生、3年生vs 5年生、3年生vs 6年生,以及5年生vs 6年生的滇重楼,其甾体皂苷生物合成通路的DEG富集数量分别为40、11、41、55、86和40条。甾体皂苷生物合成途径中,SMT1、SMO2差异基因数量较多。(6)相关性分析结果表明,重楼皂苷I与Zn、Fe与极显著相关,与有效磷、B、Mn和Cu显著相关;重楼皂苷Ⅱ与B极显著相关,与Fe显著相关;重楼皂苷Ⅲ与Zn显著相关,与Fe极显著相关;重楼皂苷Ⅵ与B、Fe极显著相关;重楼皂苷Ⅶ与硝态氮、p H和B显著相关;纤细薯蓣皂苷与B、Fe极显著相关;细菌、真菌中均有菌种与一种或多种甾体皂苷呈显著或极显著相关。细菌中Gemmatimonadota、Latescibacterota和Nitrospirota与重楼皂苷Ⅰ显著相关;Chloroflexi、Latescibacterota与重楼皂苷Ⅱ显著相关;Latescibacterota与重楼皂苷Ⅲ、重楼皂苷Ⅵ和纤细薯蓣皂苷极显著相关;真菌中没有优势菌门皂苷显著相关。土壤理化性质与微生物群落显著相关,不同种植年限土壤中SOM对细菌群落的影响最大,Mn对真菌群落的影响最大;患病与健康滇重楼土壤中,NO3-对细菌群落的影响最大,Zn对真菌群落的影响最大。结论(1)种植年限影响了滇重楼土壤理化性质、微生物群落结构和有效成分含量的积累,育苗移栽是克服滇重楼连作障碍的有效措施;(2)在滇重楼栽培过程中,应防止土壤酸化,并补充B、Mn、Zn、Fe等元素,同时增施微生物菌肥;(3)细菌中Dongia、Vibrionimonas和Porticoccaceae,以及真菌中Epilachna和Trematoda可能为致病菌,细菌Elsterales和真菌Apiales可能为有益菌;(4)重楼皂苷Ⅰ、重楼皂苷Ⅱ和重楼皂苷Ⅶ含量最多为5年生滇重楼,SMT1、SMO2可能是滇重楼甾体皂苷合成的关键酶。
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