张雪玲,臧春华,郭汝悦,段毅超,王延刚,郭中信,张振中,任雪玲
(1. 郑州大学 药学院,河南 郑州 450001;2. 山东京青农业科技有限公司,山东 潍坊 262512)
三七(Panax notoginseng)为五加科人参属多年生草本植物,常以根茎入药,是我国特有的传统名贵中药材[1]。近年来,随着三七药理活性研究的不断深入,三七用途已由传统中医药领域延伸至食品、化妆品等行业。有数据显示,我国以三七为原料的相关生产企业超过1 500 家,生产总值超过700亿元[2]。三七产业的快速发展必然带动三七种植的规模化。受生长环境限制,三七种植的适宜区域主要在高海拔的云南省文山州及广西壮族自治区靖西市等地。三七种植过程中易诱发多种病害。其中,以根腐病为最严重,由其造成的损失达5%~20%,严重者在70%以上,甚至绝收[3]。更为严峻的是,三七连作障碍问题日益突出,不仅增加根腐病的发病率,三七道地产区种植面积也不断减少,严重制约了三七的产量和品质[4]。虽然学者针对三七连作障碍开展了大量研究工作,并取得了一定进展,但仍未彻底解决该问题。
对于规模化种植而言,作物连作障碍问题不同程度地普遍存在,已成为限制农业可持续发展的重要因素[5]。尽管连作障碍的产生是多种因素共同作用的结果,但越来越多的研究表明,土壤微生物在其中起着关键作用[6]。多项研究发现,随着三七连作年限的增加,细菌群落的数量和多样性均显著下降,真菌数量相对增加,进而造成土壤微生物群落组成及功能失衡,这是造成三七产量下降、死亡率升高的主要原因[6-7]。针对连作障碍土壤进行修复和改良的研究表明,病原性真菌相对丰度增加是三七连作障碍的主要驱动因素,且在土壤中占绝对优势的细菌群落对于真菌的扩增有直接影响。例如,WANG 等[8]的研究发现,生物炭可以通过改变土壤微生物群落组成,尤其是增加芽孢杆菌等生防类细菌的相对丰度来缓解三七—土壤的负反馈调节。因此,增加土壤中益生菌的相对丰度,重塑土壤微生态平衡是解决三七连作障碍的有效策略。
枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)是一种在自然界中广泛存在的革兰氏阳性细菌,具有无致病性、无环境污染性、广谱抗菌活性和极强的抗逆性等优点,在农业领域,特别是肥料相关领域具有广泛应用[9-11]。大量基础研究和大田试验表明,枯草芽孢杆菌可在土壤和植物根际表面大量繁殖,显著增加土壤肥力,改善土壤结构,有效降低氮挥发,增加氨氧化细菌、溶杆菌等有益菌的丰度[12]。进一步研究证实,枯草芽孢杆菌生物制剂不仅可以在一定程度上缓解高粱等农作物的连作障碍[13],而且有助于缓解三七等中药材连作障碍问题,显著降低三七病死率[14]。但其作用机制尚不清楚,特别是连作障碍修复后的土壤和首次种植三七的土壤的对比研究未见报道。因此,以2 年生三七为材料,借助Illumina MiSeq 高通量测序技术测定三七根际和根茎内细菌群落组成,探索枯草芽孢杆菌生物菌肥对三七连作障碍的影响,以期为土壤可持续利用和农业生态系统建立提供理论依据和数据支持。
以移栽大田1 a的2年生三七作为试验材料,于云南省文山州苗乡三七科技有限公司三七连作障碍试验站(23°42′N、104°16′E)进行三七连作田间试验。该试验地属亚热带气候,冬无严寒,夏无酷暑。年均气温15~17 ℃,降雨量为1 100~1 319 mm,全年无霜期356 d。按照当地种植惯例,在三七移栽前使用氯化苦对连作障碍土壤进行熏蒸。首次种植三七的新鲜土壤不做上述处理。2019 年1 月将三七苗移栽至试验田中,于当年12 月收获期采样,期间进行三七田间常规种植管理。试验设置为3 组:首次种植三七对照组(BP)、未施生物菌肥连作障碍对照组(CCO)、枯草芽孢杆菌生物菌肥处理组(MFP)。每个试验组小区面积为64 m2,设置6 个重复。各组按当地生产习惯正常施肥外,MFP 组增施枯草芽孢杆菌生物菌肥(11.2 kg/hm2)。
参照参考文献[15]的方法采集土壤样本(sBP、sCCO、sMFP)和三七根茎样本(pBP、pMFP,CCO 组无三七存活)。采集样本时,按S 形每组随机采集6个样本,除去覆盖物及表面浮土,将三七根茎整个挖出,轻轻抖动以去除与根系表面松散结合的土壤,将与根系紧密结合的土壤刷下作为待测土壤样本。每个土壤样本分为2 份,一份置于-80 ℃冰箱保存,用于土壤细菌DNA 提取及高通量测序;另一份自然风干,用于土壤理化性质测定。采集土壤样本后的三七根茎,先以流动的自来水快速冲洗,随后依次用无菌水(30 s)和70%乙醇浸泡(2 min)洗涤;紧接着在含0.1% Tween 80 的2.5% NaClO 溶液中浸泡灭菌5 min;再用70%乙醇浸泡30 s;最后用无菌水洗涤3次以去除消毒剂。处理后的三七根茎组织经液氮速冻后置于-80 ℃冰箱备用。
1.3.1 细菌DNA 提取与PCR 扩增 使用DNA 抽提试剂盒(PowerSoil®DNA Isolation Kit,Mobio,USA)抽提三七根际土壤和根茎内微生物基因组DNA,利用NanoDrop 检测DNA 的纯度和浓度,利用1%琼脂糖凝胶电泳检测DNA 的完整性。为避免三七叶绿体和线粒体DNA 干扰,同时尽可能保证测序结果的一致性,根据参考文献[16]选择16S rDNA的V5—V7可变区序列设计引物,并进行聚合酶链式反应(Polymerase chain reaction,PCR)。扩增引物为799F(5′-AACMGGATTAGATACCCKG-3′)和1193R(5′-ACGTCATCCCCACCTTCC-3′)。PCR扩增程序:95 ℃3 min;95 ℃0.5 min,55 ℃0.5 min,72 ℃0.75 min,27 个循环;72 ℃10 min。扩增结束后,PCR产物用2%琼脂糖凝胶电泳进行检测。
1.3.2 高通量测序及数据处理 利用DNA 凝胶回收试剂盒回收PCR 扩增产物,经NaOH 变性后构建DNA-Seq 文库。利用Illumina MiSeq 平台进行高通量测序。所得数据经拼接和过滤优化后进行分类操作单元(Operational taxonomic units,OTU)聚类分析,序列相似度为0.97。基于SILVA 数据库(silva138/16s_bacteria)进行序列比对;利用Mothur软 件 计 算Alpha 多 样 性 指 数(Chao、Simpson 及Coverage 指数);基于Abund_jaccard 距离进行Beta多样性分析中的主坐标分析(Principal coordinate analysis,PCoA);利 用 方 差 膨 胀 因 子(Variance inflation factor,Vif)分析进行土壤理化因子的筛选,并利用相关性热图(Heatmap)分析土壤理化因子与细菌物种之间的相关性。
1.3.3 土壤理化性质测定 依照参考文献[17]进行土壤碱解氮(Available N,AN)的测定;依照参考文献[18]进行土壤有效磷(Available P,AP)的测定;依照参考文献[19]进行速效钾(Available K,AK)的测定;依照参考文献[20]进行土壤pH 值的测定;依照参考文献[21]进行土壤电导率(Total dissolved solids,TDS)的测定;依照参考文献[22]进行土壤有机质(Organic matter,OM)的测定;依照参考文献[23]进行土壤交换性钙(Exchangeable calcium,E-Ca)和交换性镁(Exchangeable magnesium,E-Mg)的测定。
采用SPSS 26.0软件对数据进行统计分析。
采用Illumina MiSeq 平台对3 组土壤样本(sBP、sCCO、sMFP)和2 组三七根茎样本(pBP、pMFP)共30 个样本进行高通量测序,数据经过滤优化后,共获得2 002 484 条序列,平均序列长度为377 bp。如图1 所示,基于Shannon 指数的稀释曲线随着样本序列数的增加逐渐趋近平缓,表明无论土壤样本还是三七根茎样本的测序数据均接近饱和,已覆盖样本中的绝大多数物种,可以进行后续生物信息学分析。
将每个样本的测序量按最小样本序列数进行抽平,然后按照97%相似性进行聚类,共获得3 529个细菌OTU。其中,土壤样本和根茎样本的OTU 数分别为2 865 个和1 789 个,各组样本的覆盖度均大于96%。基于OTU 水平进行Alpha 多样性评估,结果见表1。对于土壤样本而言,sMFP 组中反映细菌群落丰富度的Chao 指数显著低于sCCO 组(P<0.05),而与sBP 组相比则无显著性差异。sMFP 组反映细菌群落多样性的Simpson 指数与sCCO 组之间无显著性差异,但较sBP 组显著升高。三七根茎样本pBP 与pMFP 组中Chao 指数 和Simpson 指数 均无显著性差异,表明根茎内细菌群落的Alpha 多样性无显著差异。
表1 三七根际土壤与根茎细菌Alpha多样性评估指数Tab.1 Alpha diversity evaluation index of rhizosphere soil and rhizome bacteria of Panax notoginseng
分析样本中共有或独有的细菌群落物种数目,可以考察样本物种组成的相似性和差异情况。基于OTU 水平进行韦恩(Venn)分析的结果(图2a)显示,土壤样本中sMFP 与sCCO 组共有OTU 数目为1 294个,2组独有的OTU 总数为1 009 个。对sMFP 组与sBP 组进行分析发现,2 组共有OTU 数目以及独有OTU之和分别为928、1 525个。上述结果表明,三七连作障碍土壤经枯草芽孢杆菌生物菌肥处理后,细菌群落物种组成发生了改变。对三七根茎内细菌群落进行Venn 分析的结果(图2b)显示,pBP 和pMFP共有的OTU数目为629个。其中,pBP和pMFP独有的OTU 数目分别为843、317 个。上述结果表明,种 植环境不同,三七根茎内细菌群落组成也不同。
基于门和属水平对各组样本的优势菌群进行分析,结果见图3。在门水平上(图3a),三七根际土壤和根茎内细菌群落相对丰度最高的3个物种均为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes),但各组样本优势物种的相对丰度大小有所不同。
在属水平上(图3b),各组样本的优势物种及其相对丰度均存在一定差异。对于根际土壤样本而言,sBP 组土壤样本中相对丰度前三的优势菌属分别为盖勒氏菌属(norank_f_norank_o_Gaiellales,8.74%±1.66%)、norank_f_JG30_KF_AS9(6.76%±2.12%)和Gaiella(6.75%±2.28%);sCCO 组中相对丰度前三的优势菌属为小单孢菌属(Micromonospora,7.48%±2.14%)、芽单胞菌属(Gemmatimonas,7.12%±3.93%)和假节杆菌属(Pseudarthrobacter,4.91%±2.34%);使用枯草芽孢杆菌生物菌肥的sMFP 组土壤样本中相对丰度前三的优势菌属分别为芽孢杆菌 属(Bacillus,8.10%±6.20%)、节 杆 菌 属(Arthrobacter,5.37%±2.96%)和假节杆菌属(4.99%±0.80%)。与sCCO 组相比,sMFP 组土壤样本中芽孢杆菌属、节杆菌属相对丰度分别提高了139.30%、37.35%,而且小单孢菌属的相对丰度下降了75.52%。相对于根际土壤细菌群落而言,根茎内细菌群落组成虽有所不同,但2组之间有一定相似性,其中,pBP 组相对丰度前三的优势菌属分别为假单胞菌属(Pseudomonas,5.66%±12.05%)、Allorhizobium-Neorhizobium-Pararhizobium-Rhizobium(5.60%±4.34%)和贪食菌属(Variovorax,5.24%±4.18%);而pMFP 组样本中相对丰度前三的优势菌属依次为假单胞菌属(11.18%±26.24%)、贪食菌属(10.12%±7.64%)和Mycobacterium(9.35%±14.76%)。
Beta多样性分析主要用来评估不同组或样本间的物种组成相似性和差异性。3组土壤样本中组内细菌群落在PC1 轴(73.32%)和PC2 轴(5.98%)可以较好地聚合,不同组样本点之间距离相对较大,说明三七连作障碍土壤经生物菌肥修复后,细菌群落组成发生了较大改变,但是与sBP 组的土壤细菌群落组成还是具有一定差异(图4a)。在2组三七根茎样本中,pMFP 组样本的分布相对离散,样本之间距离也较远,而pBP 组各样本之间的距离相对较近(图4b)。表明三七连作障碍土壤经枯草芽孢杆菌生物菌肥修复后,三七根茎内细菌群落结构发生了变化。
对三七土壤样本和根茎样本进行优势菌属组间差异显著性检验分析的结果见图5。土壤样本中(图5a),相对丰度前十五的优势菌属中有14个物种在3组之间具有显著性差异。与sCCO 组相比,sMFP 组中芽单胞菌属相对丰度显著下降,小单孢菌属相对丰度极显著下降,而sMFP组与sBP组相比无显著性差异。在相对丰度前十五的优势菌属中,sMFP 组中芽孢杆菌属、假节杆菌属、节杆菌属和贪食菌属的相对丰度极显著高于sBP 组。sBP 组中盖勒氏菌属、unclassified_f_Micromonosporaceae、康奈斯氏杆菌属(Conexibacter)、Gaiella、norank_f_JG30_KF_AS9、norank_f_Gemmatimonadaceae菌属的相对丰度极显著高于sCCO 组和sMFP 组。与根际土壤微生物优势菌属明显改变不同,三七根茎内物种差异分析结果(图5b)显示,pBP 组和pMFP 组根茎内细菌群落中相对丰度前十五的优势菌属均不具有显著性差异。
不同组土壤的各项理化性质不同,具体见表2。与sCCO 组相比,sMFP 组AP、E-Ca 和E-Mg 含量以及TDS呈显著上升趋势(P<0.05),AK含量显著下降(P<0.05),而OM、AN 含量与pH 值无显著性变化。与sBP 组相比发现,sMFP 组AN、AK、OM 和E-Mg 显著下降(P<0.05),AP 和TDS 显著增加(P<0.05),而pH值和E-Ca则无明显变化。
表2 三七根际土壤理化性质Tab.2 Rhizosphere soil physicochemical properties of Panax notoginseng
在土壤理化性质与土壤细菌群落关联性分析中,首先通过Vif 进行不同理化因子之间共线性分析,发现E-Mg 与其他因子之间具有较强的共线性(Vif>10)。因此,将其去除后再进行后续RDA 分析,结果见图6a。其中,土壤中的AK、AN、OM 和E-Ca 与sBP 组土壤细菌群落呈正相关,而TDS 和AP 则与sMFP 组样本细菌群落呈正相关。相比于其他因素,E-Ca 和pH 值对各组样本的影响相对较小。
在土壤理化性质与三七根茎细菌群落关联性分析中,首先通过Vif 进行不同理化因子之间共线性分析,发现AN 和E-Mg与其他因子之间具有较强的共线性(Vif>10)。因此,将其去除后再进行后续RDA 分析,结果见图6b。其中,土壤中AK、OM、TDS 和AP 显著影响三七根茎内细菌群落组成,pBP中大多数样本点在AK、OM 上的正方向,而pMFP 样本点则分布较离散。
采用Spearman 相关性系数将三七根际土壤细菌群落中具有显著性差异且排名前十的优势菌属与三七根茎内细菌群落中相对丰度前二十的优势菌属进行相关性分析,结果见图7。土壤中芽孢杆菌属与三七根茎内贪食菌属呈显著正相关,而与鞘脂菌属(Sphingobium)、普雷沃菌属(Prevotella)呈显著负相关。此外,根茎内细菌群落中芽孢杆菌属也与根际土壤细菌群落中的节杆菌属和贪食菌属呈显著正相关。
在农业可持续发展背景下,有效的措施之一就是将某种或几种有益菌作为微生物肥料用于作物种植。这些微生物肥料除与作物发生相互作用之外,更直接的作用是影响土壤养分、pH 值、TDS等土壤理化性质,而这些非生物因素同时也会反馈作用于微生物以及作物。在棉花方面的研究也有类似结论,土壤pH 值、有效氮磷比、矿物质元素等与土壤细菌群落多样性、相对丰度等直接相关[24]。
氮(N)、磷(P)、钾(K)是提高作物产量,改善作物品质的最主要营养元素,也是目前肥料,尤其是化肥的主要组分。在不同的三七连作研究中,上述营养元素的变化规律不太一致,这可能与施用肥料的种类有关。本研究中,三七连作障碍土壤经枯草芽孢杆菌生物菌肥处理后,P 含量显著升高,K 含量显著降低,这与ZHANG 等[25]的在三七种植第1 年,土壤N 含量基本维持不变,P 含量显著增加,而K 含量明显减少的结论相似。与sBP 组相比,枯草芽孢杆菌生物菌肥处理后的连作土壤有相对较低的N含量,这或许有望解决连作问题。因为有数据显示,N元素过量会显著抑制三七光合效率,降低三七皂苷等有效成分的合成[26-27]。
有研究认为,土壤中N 含量增加,会导致TDS增加[28]。但本研究中,经枯草芽孢杆菌生物菌肥处理后连作土壤表现出相对较低N 含量的同时,表现出较高的TDS,这可能与菌肥组分有关。除此之外,有研究显示,随着三七种植时间的推延,土壤pH 值会明显下降,而pH 值是影响三七连作微生物群落的主要因素[29]。本研究中,连作土壤经枯草芽孢杆菌生物菌肥处理前后pH 值没有发生明显变化,且对根际土壤微生物的影响相较于其他因素而言较弱,这可能与枯草芽孢杆菌生物菌肥具有一定pH值缓冲效应有关。
钙和镁不仅是三七生长必不可少的中微量元素,也是影响三七品质的重要因素。例如,钙可以增加根茎中三七皂苷等活性成分的含量[30],镁可以通过增强三七根茎中硝酸还原酶的作用减轻有害金属镉的胁迫[31]。钙、镁可以被土壤胶体吸附,并通过一定交换剂交换出来后被植物所利用。因此,E-Ca、E-Mg含量是表征土壤供钙、镁状况的主要指标[32]。本研究中,sMFP组土壤中E-Ca与E-Mg的含量较sCCO 组土壤均显著提高,这有助于三七生长以及有效成分的积累。综上,连作障碍土壤经枯草芽孢杆菌生物菌肥处理后,土壤理化性质发生了较大改变,这可能是生物菌肥缓解三七连作障碍的作用机制,为进一步优化生物菌肥,特别是组分平衡提供了研究方向。
土壤微生物,尤其是根际土壤微生物对于包括中药三七在内的所有作物的生长都非常重要,不仅直接影响土壤结构和成分组成,更重要的是促进土壤与作物之间的物质循环与能量流动[33]。土壤微生物失衡或异常已成为影响作物生长,引发连作障碍的主要原因[6,34]。TAN 等[35]的研究发现,三七连作后,根际土壤细菌数量明显减少,而且健康三七根际土壤细菌多样性明显高于患病三七。因此,有研究者认为额外补充益生菌,通过重塑土壤微生态可能是解决三七连作障碍的有效策略[36]。
本研究中,与sCCO 组相比,施用益生菌枯草芽孢杆菌后,连作障碍土壤中的芽孢杆菌属、节杆菌属相对丰度分别提高了139.30%、37.35%,而且小单孢菌属的相对丰度下降了75.52%。这些微生物相对丰度的改变与文献报道三七根际土壤变化趋势一致[37]。芽孢杆菌属、节杆菌属等属于根际土壤促生细菌,不仅能够改善土壤环境,促进三七生长,而且能够产生抗菌物质,抑制在植物根际土壤定殖的病原菌,降低三七病害发生概率[37-39]。小单孢菌属等是植物根际常见的病原菌,对于植物根际促生细菌具有明显的拮抗和抑制作用[40]。有研究表明,在健康三七根际土壤中,益生菌是主要的优势菌群,但是随着三七连作年限的增加,益生菌数量及丰度明显降低,而有害菌逐渐成为优势菌群,最终造成连作障碍的形成[41]。本研究结果表明,枯草芽孢杆菌生物菌肥不仅能够提高有益菌的相对丰度,而且显著抑制有害菌的增殖,重塑三七根际土壤微生态平衡,这可能是其缓解三七连作障碍的主要作用机制之一。
枯草芽孢杆菌处理的MFP 组根际土壤与首次种植的BP 组根际土壤对比结果显示,2 组根际土壤中的细菌群落也存在一定差异。其中,在相对丰度前十五的优势菌属中,sMFP 组中芽孢杆菌属、假节杆菌属、节杆菌属和贪食菌属的相对丰度极显著高于sBP 组,而盖勒氏菌属、康奈斯氏杆菌属、Gaiella、norank_f_JG30_KF_AS9、unclassified_f_Micromonosporaceae和norank_f_Gemmatimonadaceae的相对丰度极显著低于sBP组。表明经枯草芽孢杆菌生物菌肥修复的连作土壤与BP 组土壤之间仍存在一定差异性,但这为土壤修复的进一步优化提供了方向。
植物生长不仅与土壤微生物密切相关,也受植物内生菌组成及数量的影响。植物内生菌不仅可以作为植物生长调节剂,参与细胞分裂、固定和转化营养元素,也会赋予作物特定功能,包括对有毒物质的生物降解,功能性次生代谢产物的转化等等。不仅如此,在特定条件下,土壤微生物会侵袭植物,甚至转化为内生菌驻留在植物体内,而受侵袭的植物也可能会通过发育重编程产生新的代谢通路应答入侵微生物[42]。枯草芽孢杆菌不仅广泛存在于土壤,也是植物体内常见的一种内生菌[43],其生防作用机制不仅包括干预抗生素生物合成通路的直接作用,也包括促进有益微生物增殖的间接机制[44]。本研究不仅从土壤微生态角度解释枯草芽孢杆菌缓解三七连作障碍的机制,也从植物内生菌的角度解析枯草芽孢杆菌缓解三七连作障碍的作用机制。
三七植物体内含有大量微生物[45-49],其群落组成虽受环境影响,但保持相对稳定[50]。本研究得出相似结论,pMFP 组与pBP 组根茎内细菌群落具有较大相似性,其中,Alpha 多样性以及相对丰度前十五的优势菌属等均没有显著性差异。将根际土壤与根茎内细菌群落进行相关性分析发现,根茎内细菌群落组成受根际土壤细菌群落的影响,枯草芽孢杆菌生物菌肥的施用会显著促进根茎内贪食菌属的增殖。最新研究表明,贪食菌属在植物—微生物—微生物互作网络中具有关键作用,不仅可以通过调控植物生长激素的分泌维持植物健康,而且还可以逆转有害微生物群落对植物生长的抑制作用[51]。因此,枯草芽孢杆菌生物菌肥的施用也在一定程度上影响了植物根茎内细菌群落组成的变化以及植物的生长。
综合以上微生物多样性分析发现,枯草芽孢杆菌生物菌肥能够显著改变三七根际土壤细菌群落多样性,促进土壤中节杆菌属等益生菌丰度增加,降低小单孢菌属等有害菌相对丰度,这有助于优化土壤微生态平衡。通过土壤理化因子与细菌群落关联性分析发现,枯草芽孢杆菌生物菌肥处理导致连作障碍土壤理化性质发生了较大改变。AK、AN、OM、E-Ca 与sBP 组的土壤细菌群落呈正相关,而TDS 和AP 则与sMFP 组样本呈正相关。除此之外,pMFP 组和pBP 组的根茎内细菌群落比较结果显示,根茎内细菌群落多样性无显著性差异,细菌群落组成具有较好的相似性。这为进一步优化生物菌肥配方,以及解决三七连作障碍问题提供了理论依据和数据支撑。