東北地理所在黑土區大豆連作障礙發生的微生物作用機制研究取得進展
黑龍江省是我國大豆的主產區，大豆種植面積占全國種植面積40%左右，隨著國家作物種植結構的調整和大豆產業振興計劃的實施，黑龍江省大豆種植面積逐步增加。長期的定位試驗和多點的田間調查證實，大豆連作1年、2年和3年產量分別下降10-15%、15-20%和20-30%。因此，東北區大豆連作障礙的發生是一個不可回避的現實問題。
大量研究結果表明，大豆連作障礙的發生因素十分復雜，如土壤性狀惡化、土壤酶活性降低、土壤病原微生物的富集和化感自毒作用等，這些因素即單獨起作用也可能多個因素交織在一起，互相交聯在一起共同起作用。而以往基于連作土壤滅菌實驗證實，生物因素是導致連作障礙發生的主要制約因素。因此，開展大豆連作下微生物群落組成、多樣性分布及群落演替規律及對策研究對闡明大豆連作障礙發生機制及推進現代農業可持續發展具有重要理論意義和實際應用價值。
東北地理所農田分子生態學科組基于大豆短期連作（3年和5年）、長期連作（13年）及大豆-玉米輪作等處理，采用高通量測序技術系統研究了東北區大豆連作障礙發生的微生物機制。研究發現，與短期連作相比，長期連作和輪作處理顯著增加了土壤養分含量、細菌和真菌多樣性指數而降低了土壤真菌與細菌數量的比值。發現土壤pH和C:N分別是驅動大豆連作下土壤細菌和真菌群落發生演替的主要影響因素。長期連作和輪作處理顯著增加了有益細菌Bradyrhizobiumsp和Gemmatimonassp的相對豐度，而顯著降低了病原真菌Fusariumsp的相對豐度（圖1）。此外，與短期連作相比，長期連作和輪作處理增強了細菌和真菌群落的網絡結構與穩定性。輪作處理中具有分解木質素和纖維素等有益細菌Bryobacter、Gemmatimonas和Terracidiphilus與真菌群落中具有抑制病原微生物生長的Trichoderma、Mortierella和Exophiala作為主要的關鍵微生物類群（Module hubs和Connectors），可能對改善土壤環境具有積極的作用（圖2）。總體而言，大豆長期連作處理在微生物數量、多樣性指數及群落結構組成與短期連作處理差異顯著，但與輪作處理相似，說明大豆長期連作導致了土壤產生“抑病土”的微生物基礎。
該研究成果先后發表在Applied Soil Ecology, Soil & Tillage Research 和Land Degradation and Development上。研究成果得到國家重點研發（2017YFD0200604）、國家自然科學基金和中國科學院青年創新促進會等項目的資助。
論文信息：
1.Liu JJ., Yu ZH., Yao Q., Hu XJ., Zhang W., Mi G., Chen XL and Wang GH*. Distinct soil bacterial communities in response to the cropping system in a Mollisol of northeast China. Applied Soil Ecology, 2017, 119, 407-416.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0929139317302214?via%3Dihub
2.Liu JJ., Yao Q., Li YS., Zhang W., Mi G., Chen XL., Yu ZH and Wang GH*. Continuous cropping of soybean alters the bulk and rhizospheric soil fungal communities in a Mollisol of Northeast PR China. Land Degradation and Development. 2019, 1-14.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/ldr.3378
3.Liu ZX., Liu JJ*., Yu ZH., Yao Q., Li YS., Liang AZ., Zhang W., Mi G., Jin J., Liu XB and Wang GH. Long-term continuous cropping of soybean is comparable to crop rotation in mediating microbial abundance, diversity and community composition. Soil & Tillage Research. 2020, 197, 104503.
https://authors.elsevier.com/c/1a5Nkc13yHMxu
圖1不同處理下細菌與真菌群落組成及聚類分析圖譜
圖2不同處理下細菌與真菌群落的網絡結構
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