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2019-06-18浏览量:1251

『公海赌船网址成果展』蚯蚓粪可通过改善番茄连作土壤的微生物群落,从而提高番茄产量

导读

Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici(Fol)引起的枯萎病已严重减少了全球番茄产量。有机改良剂正被广泛应用于抑制Fol,然而不同的修正方式如何改变土壤中大量微生物群从而诱导抑制Fol仍不清楚。本研究通过高通量测序和实时PCR,研究稻草、鸡粪和蚯蚓粪三种有机改良剂对土壤中Fol的抑制作用及其潜在机制。

 

文献ID

题目:Vermicompost can suppress Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici via generation of beneficial bacteria in a long-term tomato monoculture soil

译名:在番茄连作土壤中,蚯粪可通过产生有益菌而抑制Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici 

期刊:Plant Soil(农林科学1区)  IF:3.306

发表时间:2019年5月8日

第一作者:赵凤艳

通讯作者:杨丽娟教授

通讯单位:沈阳农业大学


材料与方法

实验设计

 


测序策略

16S rRNA基因V3-V4区测序;ITS 2测序

 

研究成果

1、不同施肥方式对土壤性质的影响

随着番茄种植时间的延长,土壤pH值显著下降(表1,p<0.05),在0年和5年的土壤中发现FS处理下观察到最高的土壤pH值,而在20年的土壤中发现VM处理的土壤样本pH最高。土壤EC值(电导率)范围为163-523 μS cm-1,在不考虑种植持续时间情况下,与CF处理相比,FS和VM处理显示土壤EC值显著降低(p<0.05)。随着番茄种植时间的增加,NH4+-N、NO3--N、总碳(TC)、总氮(TN)、土壤有机质(SOM)和溶解有机碳(DOC)浓度增加。在三种土壤中,CM和VM处理下的NH4+-N含量显著高于CF处理(p<0.05),CM和VM处理下的DOC含量显著高于CF和FS处理下的DOC含量,VM处理下SOM含量最高,四种处理中发现TN含量没有显著差异,同时栽培时间和施肥处理对土壤C/N无显著影响。

 

表1 不同施肥方式处理下3种土壤的化学特性

 

2、不同施肥方式对Fol丰度的影响

随着番茄种植时间的延长,Fol的丰度显著增加(图1)。不同施肥方式条件下,0年和5年土壤中没有发现阳性病原体抑制作用(图2),而VM处理的20年土壤中观察到显著的阳性病原体抑制作用(p<0.05)。

 

图1 不同持续种植时间的土壤中Fol的丰度

图2 不同施肥方式对不同持续种植时间土壤的抑制作用

 

3、不同施肥方式对微生物多样性的影响

与0年和5年连续种植番茄的土壤相比,20年连续种植番茄的土壤中细菌多样性显著下降(Chao1指数、Simpson指数和Shannon指数),而5年和20年连续种植番茄的土壤中真菌多样性显著低于0年的土壤(Chao1指数)。不考虑种植持续时间,VM处理的土壤细菌多样性最高,而CF处理的土壤细菌多样性最低(Simpson指数和Shannon指数); CF和VM处理的土壤中真菌多样性高于CM处理的土壤。

 

4、Fol丰度的影响途径

基于科水平和属水平物种的相对丰度,采用随机森林分析确定抑制Fol的主要预测因子。科水平上最重要的细菌和真菌,见图3a和3c中红色填充对应物种;而属水平上比较重要的细菌和真菌,见图3b和3d中红色填充对应物种。

 

图3 随机森林显示细菌和真菌的相对丰度可作为驱动抑制Fol的重要预测因子。红色填充表示p<0.05,具有显著性差异。

 

为了进一步探究土壤的化学和微生物特性如何影响Fol的丰度,我们构建了一个偏最小二乘路径模型(PLS-PM)(图4)。该模型中包含了三种组合:土壤的化学性质、微生物多样性和微生物丰度(主要预测丰度),其中先验模型中化学性质组合的观测变量为:土壤pH、电导率(EC)、NH4+-N、NO3--N、总碳(TC)、总氮(TN)、土壤有机质(SOM)和溶解有机碳(DOC)浓度;微生物多样性组合的变量包括细菌和真菌多样性的Chao 1指数和Shannon指数;微生物丰度组合的变量主要是随机森林分析得到的主要预测因子。依据Sanchez(2013)方案,将Croncbach’s alphas和DillonGoldstein’s rhos(单维度指数)值和外模型载荷小于0.7的观测变量从模型中去除。校正先验模型后,化学性质组合中剩余的观察变量为土壤pH、电导率(EC)、NH4+-N、土壤有机质(SOM)和溶解有机碳(DOC)浓度;微生物多样性组合保留了细菌和真菌多样性的Shannon指数;微生物丰度组合保留了NocardioidesIlumatobacterGaiella的相对丰度变量,且其都属于放线菌门;PLS-PM的拟合优度统计量为0.62,该统计量是衡量模型整体性能的指标。PLS-PM结果表明化学性质、微生物多样性和微生物丰度的组合可以解释44%的Fol丰度变化。微生物丰度与Fol丰度呈负相关(路径系数为0.35);化学性质与微生物丰度和微生物多样性呈正相关(路径系数分别为0.88和0.52)。

 

图4 偏最小二乘路径模型(PLS-PM)原理图


矩形表示观察到的变量,椭圆表示组合。PLS-PM的拟合优度统计量为0.62。数字表示加载量(组合及其观测变量之间的相关性)、路径系数和确定系数(R2)。

 

5、土壤和堆肥处理后的土壤中GaiellaNocardioidesIlumatobacter的相对丰度

VM处理的土壤中GaiellaNocardioidesIlumatobacter的相对丰度最高,且均显著高于FS和CF处理组(p<0.05),同时VM处理土壤中Ilumatobacter的相对丰度显着高于CM处理(p<0.05)(图5)。

 

图5 不同处理的20年连续种植番茄的土壤中GaiellaNocardioidesIlumatobacter的相对丰度

 

为了找到抑制Fol主要预测因子的细菌变异来源,我们分析了蚯粪(VMF)和鸡堆肥(CMF)的细菌组成,及用于生产VMF的牛粪(CoMF)的细菌组成;结果发现 VMF中GaiellaNocardioidesIlumatobacter的相对丰度均显著高于CoMF和CMF(图6),且VMF中细菌alpha-多样性(Chao1、Simpson和Shannon指数)也均显著高于CoMF和CMF。

 

图6 使用的堆肥(蚯粪、鸡粪和牛粪)中抑制Fol相关的细菌相对丰度

 

研究结论

1、此研究结果提供了强有力的证据表明,随着番茄单作持续时间的延长,Fol的丰度可能会增加,这对番茄栽培构成了威胁;而添加蚯蚓粪可对长期单一栽培土壤Fol的抑制作出重要贡献。

2、蚯蚓粪可直接将有益细菌引入土壤并改善土壤环境,从而导致有益细菌的繁殖,且结果一致表明,GaiellaNocardioidesIlumatobacter属的细菌代表了抑制Fol的关键微生物类群。

 

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