Effects of wheat/safflower intercropping on rhizosphere microbial community function and structure
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摘要: 研究小麦红花间作系统作物根际土壤微生物群落结构及功能变化, 对后期构建合理的小麦红花间作种植模式和地区适宜性评价具有重要意义。本研究在田间设置小麦红花间作(2∶1)模式, 以小麦单作、红花单作为对照, 基于Illumina Miseq高通量测序平台研究了小麦红花根际土壤细菌和真菌群落结构特征和功能变化, 在成熟期, 分别测定小麦红花产量。结果表明: 小麦红花间作土地当量比为1.01, 间作优势并不明显; 小麦、红花根际微生物多样性指数分析结果表明, 间作提高了小麦根际细菌多样性和真菌的丰富度, 但显著降低了小麦根际细菌的丰富度和真菌多样性; 间作显著提高了红花根际细菌的多样性, 但降低了红花根际真菌的多样性及细菌和真菌的丰富度。主坐标分析(PCoA)和群落均衡性分析结果表明, 间作显著改变了红花根际微生物群落结构。小麦红花根际优势细菌门为变形菌门、酸杆菌门和拟杆菌门, 在单作小麦、间作小麦、单作红花和间作红花中平均相对丰度总占比分别为65.94%、70.57%、71.39%和70.07%, 优势真菌为子囊菌门、担子菌门, 平均相对丰度总占比分别为75.99%、68.17%、93.23%和69.88%。间作显著提高了红花根际酸杆菌门、Rokubacteria以及真菌的被孢霉门的相对丰度, 对小麦各菌门并未造成显著影响。功能预测结果表明, 间作显著提高了红花根际好氧氨氧化、硝化作用、发酵、硝酸盐还原等养分循环过程, 结合相关性分析结果发现细菌MND1属与这些过程显著正相关, 且其相对丰度在红花根际表现为间作显著高于单作。此外, 间作显著提高了红花根际丛枝菌根功能基因的相对丰度, 降低了植物病原菌类功能基因的相对丰度; 在属水平, 间作显著提高了红花根际被孢霉属、Wickerhamomyces等有益菌属的相对丰度, 显著降低了镰刀菌属、链格孢属致病真菌属的相对丰度。共现网络分析结果表明, 间作可一定程度上提高小麦根际微生物网络的复杂性, 降低红花根际微生物网络的复杂性; 此外, 镰刀菌属位于红花根际微生物网络的中心, 间作可通过影响红花根际微生物间的相互作用明显降低镰刀菌属的数量。综上, 小麦红花间作体系中, 处于竞争劣势的红花可通过改善根际微生物群落组成, 提高根际养分循环过程, 进而缓解在养分等资源竞争上的不利地位; 此外, 间作可显著降低红花根际致病类病原菌的相对丰度, 对减少红花病害的发生及土壤中致病菌总量均具有重要意义。Abstract: Studying the structure and function of rhizosphere soil microbial communities in wheat/safflower intercropping systems is of great significance for the construction of appropriate wheat/safflower intercropping patterns and regional suitability evaluation. In this study, a wheat/safflower intercropping (2∶1) pattern was set in the field, and wheat monoculture and safflower monoculture were used as controls, based on Illumina Miseq high-throughput sequencing platform. The community structure and functional changes of bacteria and fungi in the rhizosphere soil of wheat/safflower intercropping were studied, and safflower and wheat yield were measured at maturity. The results showed that the wheat/safflower intercropping land equivalent ratio was 1.01, the intercropping advantage was not obvious. The wheat and safflower intercropping increased the bacterial diversity and fungal richness of the wheat rhizosphere, but significantly decreased the bacterial richness and fungal diversity. Intercropping significantly increased bacterial diversity in the rhizosphere of safflower but decreased fungal diversity and bacterial and fungal richness in the rhizosphere of safflower. A principal coordinate analysis and equilibrium analysis of the rhizosphere soil microbial community showed that intercropping significantly changed the microbial community structure in the rhizosphere of safflower. Proteobacteria, Acidobacteria, and Bacteroidetes were the dominant bacteria in the rhizospheres of wheat and safflower, their average total proportions of relative abundances were 65.94%, 70.57%, 71.39%, and 70.07% for monocultured wheat, intercropped wheat, monocultured safflower and intercropped safflower, respectively. Ascomycota and Basidiomycota were the dominant fungi, the their average total proportions of relative abundances were 75.99%, 68.17%, 93.23% and 69.88% for monocultured wheat, intercropped wheat, monocultured safflower and intercropped safflower, respectively. Intercropping significantly increased the relative abundance of Acidobacteria, Rokubacteria, and Mortierellomycota in the rhizosphere of safflower, while it had no significant effect on wheat. Our functional prediction results showed that intercropping significantly improved nutrient cycling processes, such as ammonia oxidation, nitrification, fermentation, and nitrate reduction in the rhizosphere of safflower. Combined with the correlation analysis results, MND1 genus of bacteria was significantly positively correlated with these processes, and its relative abundance in the rhizosphere of safflower was significantly higher in intercropping than in the monoculture. In addition, intercropping significantly increased the relative abundance of arbuscular mycorrhizal functional genes in the rhizosphere of safflower, and significantly decreased the relative abundance of plant pathogenic functional genes. At the genus level, intercropping significantly increased the relative abundance of beneficial bacteria, such as Moralella and Wickerhamomyces, in the rhizosphere of safflower. The relative abundances of pathogenic fungi belonging to Fusarium and Alternaria was significantly decreased. In conclusion, under a wheat/safflower intercropping system, safflower at a competitive disadvantage can improve the rhizosphere microbial community composition and nutrient cycling process, thus alleviating the disadvantage of nutrient competition. The co-occurrence network analysis results showed that intercropping could improve the complexity of the rhizosphere microbial network of wheat and reduce the complexity of the rhizosphere microbial network of safflower, to some extent. In addition, Fusarium is located in the center of the rhizosphere microbial network of safflower, and intercropping can significantly reduce the number of Fusarium species by affecting the interactions between the rhizosphere microorganisms of safflower. Lastly, intercropping significantly reduced the relative abundance of pathogens in the rhizosphere of safflower, which was of great significance in reducing the occurrence of safflower diseases and the total number of pathogens in the soil.
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河南省是我国重要的小麦(Triticum aestivum L.)生产区, 2020年河南省小麦种植面积高达567万hm2, 约占总耕地面积的38.48%, 是第一大夏粮作物。近年来, 在国家农业供给侧结构性改革的背景下, 种植业呈多样化和高效化的发展趋势, 在河南中药材的总种植面积已从2016年的9.98万hm2增加到2020年的15.95万hm2 [1], 红花(Carthamus tinctorious L.)作为河南省的道地药材, 同时也是一种集药材、油料、染料和饲料为一体的特种经济作物, 在河南局部地区种植面积也逐年扩大, 因而小麦和红花之间的粮药争地矛盾日渐突出。
间作作为一种集约利用土地的种植方式, 通过利用复合群体生态位互补原理, 进而实现间作体系高产高效及可持续性, 是解决作物争地矛盾的有效途径之一, 在国内外受到广泛运用。间作系统作为一种人工复合群体, 其效益原理主要是促进光、热、水、养分等资源的高效利用, 同时也可以减少作物病虫害的发生[2], 这其中主要的生态机制是由于生态位的分离促进了作物间的互补和竞争, 从而实现资源利用效率最大化[3], 而这种优势的产生与土壤环境的变化密不可分[4], 土壤环境的改变会直接影响土壤微生物群落结构和功能。不同栽培方式以及不同作物类型对土壤微生物群落均会产生不同的影响, 有研究表明间作可显著提高土壤微生物多样性指数[5-6], 与土壤微生物的变化密切相关[7], 如Li等[8]对小麦||黄瓜(Cucumis sativus L.)、黄瓜||三叶草(Trifolium L.)间作体系中研究表明, 间作可明显提高土壤微生物丰富度和多样性。
作物根际是土壤微生物活跃的热点区域, 其与微生物群落的组成和作物生长密切相关[9]。根际微生物群落对植物的健康及其生产力至关重要, 并且在影响植物生长及其健康方面, 根际微生物群落被广泛研究[10]。根际土壤微生物的种类和数量对植物生长发育和健康状况具有重要影响[11-12]。根际微生物种类和数量的变化直接影响土壤养分的吸收和转化[13], 有益微生物可通过提高土壤有效养分含量, 在促进植物生长的同时提高植物抗逆能力。如丛枝菌根真菌通过与植物建立共生体系, 其外部菌丝网络可显著促进宿主对水分和养分的吸收[14]。周贤玉等[15]对玉米(Zea mays L.)||大豆[Glycine max (L.) Merr.]间作研究发现, 间作显著提高了丛枝菌根真菌(AMF)对甜玉米根际的侵染率, 增强了其对氮磷的吸收, 促进作物生长。玉米与不同树木间作后, 玉米根系中AM真菌丰富度显著提高[16]。同样, 有害的微生物会对植物的健康生长造成严重威胁, 如镰刀菌属(Fusarium)极易引起玉米茎腐病和穗腐病、蚕豆(Vicia faba L.)的枯萎病等多种土传病害的发生[17]。已有研究表明, 玉米||大豆[18]、小麦||蚕豆[19]间作均可显著降低植物根际镰刀菌属的相对丰度。因此, 作物多样性种植下土壤微生物多样性及其功能的研究十分重要, 已成为近年来土壤地力保护及作物多样性种植生态效应研究的热点问题[20]。
近年来, 随着高通量测序技术的发展, 对小麦红花根际微生物的研究逐渐增多, 研究表明, 红花与小麦、玉米等禾本科作物进行轮作换茬, 有利于土壤养分平衡, 改善根际微生物群落结构, 防止红花根腐病的发生[21]。然而, 对小麦和红花根际微生物的研究主要集中在品种[22]、种植区域[23-24]及栽培措施[25]的不同所引起的根际微生物群落结构及功能变化, 且多采用单作种植模式, 小麦红花间作作为一种新型的粮药间作模式, 该种植体系下小麦、红花根际微生物群落结构及功能变化尚不十分清楚。因此, 本研究采用高通量测序方法研究该间作模式下小麦、红花根际细菌和真菌群落结构及功能变化, 以期为构建合理的小麦红花间作模式和地区适宜性评价提供理论依据。
1. 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于2020年在河南省新乡市原阳县河南农业大学科教园区(35°7′1″N、113°57′22″E)进行, 试验土类型为沙壤土。试验地年均日照时数1945.1 h, 年均气温14.7 ℃, 年均降雨量623.3 mm, 无霜期224 d。耕层基础肥力: 有机质14.26 g∙kg−1, 全氮0.91 g∙kg−1, 全磷0.72 g∙kg−1, 前茬为玉米。
1.2 试验设计
采用大田试验, 小麦||红花间作(W||R)采取2∶1的行比种植, 以小麦单作(W)和红花单作(R)对照, 共计3个处理。田间小区采用随机区组排列, 小区面积为40 m2 (长8 m×宽5 m), 重复3次。小麦和红花采用人工播种, 二者种植行距均为20 cm, 小麦株距0.5 cm左右, 小麦播量为187 kg∙hm−2; 红花株距为5 cm, 后经过定苗控制在15 cm左右, 种植密度控制在30万株∙hm−2。间作体系内小麦、红花间距同为20 cm。各处理的施肥及田间管理保持一致, 采用一次性基施1500 kg∙hm−2复合肥(N∶P∶K=1∶1∶1)。供试小麦品种为‘豫农804’, 红花品种为‘卫红花1号’。
1.3 样品采集
分别于小麦、红花成熟期采集植株样品。小麦每个小区采集长势均匀的1 m双行植株, 红花采集同行20株。根际土壤采集采用“五点取样法”, 于小麦拔节期使用酒精消毒过的干净铁锹沿小麦、红花植株外10 cm周围下挖20 cm, 采用抖根法自然抖落覆于植株表面的松散土壤, 后用消毒过的毛刷刷取覆于植株根系表面的土, 即为根际土[26]。挑取根际土里残留的植物细根, 然后将土壤混合均匀后放入无菌自封袋中并贴上标签, 封口。每个处理取3次重复, 后将混合均匀的土壤样品置于−80 ℃保存。
1.4 测定项目及方法
1.4.1 产量、土地当量比及偏土地当量比
对成熟期每个小区采集的1 m双行小麦植株进行脱粒, 并于风干后称重计产; 成熟期采集的20株红花花蕾全部摘除, 脱粒风干后测定20株红花籽粒总重量, 并根据种植密度计算出产量。间作优势采用土地当量比(LER)和偏土地当量比(PLER)来衡量[27]:
$$ {\rm{LER}}=Y_{{\rm{ai}}}/Y_{{\rm{as}}}+Y_{{\rm{bi}}}/Y_{{\rm{as}}} $$ (1) $${\rm{ PLER}}({\rm{a}})=Y_{{\rm{ai}}}/Y_{{\rm{as}}} $$ (2) $$ {\rm{PLER}}({\rm{b}})=Y_{{\rm{bi}}}/Y_{{\rm{bs}}} $$ (3) 式中: Yai和Ybi分别表示间作小麦和红花籽粒产量, Yas和Yas分别表示单作小麦和红花籽粒产量。PLER(a)和PLER(b)分别表示小麦和红花偏土地当量比。LER>1, 表明有间作优势; LER<1, 为间作劣势。
1.4.2 DNA提取、PCR扩增和高通量测序
分别取不同处理下的小麦红花根际土壤样品, 使用mobio土壤微生物DNA强力提取试剂盒PowerSoil® DNA Isolation Kit提取土壤总DNA, 利用1%琼脂糖凝胶电泳检测DNA质量, 用NanoDrop ND-2000超微量核酸蛋白测定仪分析抽提DNA浓度和纯度。选取完整且质量较好的材料用于后续分析, 以制备好的DNA为模板。细菌以16S rRNA (V3+V4)区域引物: (338F: 5'-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3', 806R: 5'-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3')[28], 真菌以ITS区域(内转录间区)引物: (ITS1F: 5'-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3', ITS2R: 5'-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3')[29], 然后通过PCR扩增、纯化、Solexa PCR、定量、混样、切胶回收等[30], 后寄至北京百迈克生物科技有限公司进行高通量测序。
1.5 数据处理与分析
1.5.1 测序数据处理
数据预处理: 主要有如下3个步骤:
1)质量过滤: 首先使用Trimmomatic v0.33软件, 对测序得到的Raw Reads进行过滤; 然后使用cutadapt 1.9.1软件进行引物序列的识别与去除, 得到不包含引物序列的Clean Reads。
2)双端序列拼接: 使用Usearch v10软件, 通过overlap对每个样品的Clean Reads 进行拼接, 然后根据不同区域的长度范围对拼接后数据进行长度过滤。
3)去除嵌合体: 使用UCHIME v4.2软件, 鉴定并去除嵌合体序列, 得到最终有效数据(Effective Reads)。
使用Usearch软件[31]对Reads在97.0%的相似度水平下进行聚类、获得OTU, 以SILVA为参考数据库使用朴素贝叶斯分类器对特征序列进行分类学注释, 可得到每个特征对应的物种分类信息, 进而在门和属水平统计各样品群落组成, 利用QIIME[32]软件生成不同分类水平上的物种丰度表。
1.5.2 数据统计与分析
采用Microsoft Excel 2020对产量数据及根际微生物门、属水平数据整理, 用IBM SPSS Statistics 25进行数据的方差比较, 采用HSD法进行差异显著性检验(P<0.05), 相关性分析采用 pearson, GraphPad Prism 8作图。采用百迈客云分析平台对不同处理下OTU做韦恩图分析, 采用R4.1.3进行物种丰度柱状图绘制、PcoA分析及可视化、共现网络分析并采用Gephi 0.9.2对共线网络分析结果进行可视化, 采用百迈客云平台进行FARPROTAX和FUNGuild细菌真菌功能预测。图片修饰处理采用Adobe Photoshop 2021。
2. 结果与分析
2.1 不同种植模式下小麦红花产量及土地当量比
由表1可知, 小麦红花间作作物产量均显著低于相应单作作物产量(P<0.05)。偏土地当量比作为衡量间作是否具有产量优势的一个重要指标, 当偏土地当量比大于间作作物播种面积占比时, 说明该作物具有间作产量优势。小麦红花间作体系中, 小麦的偏土地当量比大于2/3, 红花的偏土地当量比小于1/3, 表明小麦红花间作体系内, 小麦更具产量优势。此外, 小麦红花间作体系内土地当量比为1.01, 土地当量比大于1, 说明二者具有一定的间作优势, 但优势并不明显。
表 1 小麦红花间作体系的产量及土地当量比Table 1. Yield and land equivalent ratio of wheat and safflower intercropping system种植模式
Planting pattern产量 Yield (kg∙hm–2) 偏土地当量比 Partial land equivalent ratio 土地当量比
Land equivalent ratio小麦
Wheat红花
Safflower小麦
Wheat红花
Safflower单作 Monoculture 6574.07±462.53a 419.25±35.90b — — — 间作 Intercropping 4934.44±152.07b 1826.24±54.54a 0.78 0.23 1.01 同列数据后不同小写字母表示两种模式间差异显著(P<0.05). Values followed by different letters in a column are significantly different (P<0.05). 2.2 小麦红花间作根际细菌真菌群落结构变化
利用MiSeq平台对采集的样品进行高通量测序, 小麦和红花根际土壤细菌和真菌样本的覆盖率均在99%以上(表2)。韦恩图分析结果表明(图1), 小麦红花间作对根际土壤真菌群落OTU总数目及差异OTU数目的影响大于细菌。间作小麦和单作小麦根际土壤样品分别检测到2161和2180个细菌OTU, 间作红花和单作红花分别检测到2151和2157个细菌OTU。间作小麦和单作小麦处理独有的OUT数目分别是5和24, 分别占总数目1.10%的0.23%; 而间作红花和单作红花独有的OTU数目分别为12和18, 分别占总数目的0.56%和0.83%, 独有细菌OTU数目普遍较少。间作显著降低了小麦根际细菌OTU数目; 间作小麦、单作小麦、间作红花、单作红花检测到的根际土壤真菌OTU的数目分别为442、466、500和632个, 其中有251个OTU是单作小麦与间作小麦共有的, 292个OTU是单作红花与间作红花共有的, 间作小麦、单作小麦、间作红花、单作红花独有的OTU数目分别是191、215、208和340, 分别占总数目的43.21%、46.14%、41.52%和53.80%, 独有的真菌OTU数目普遍较高(图1), 间作降低了红花根际真菌OTU数目(P<0.05)。
表 2 小麦红花间作土壤根际细菌和真菌的多样性指数Table 2. Diversity indexes of bacteria and fungi communities in rhizosphere soil of wheat and safflower intercropping system微生物
Microorganism处理
TreatmentACE指数
ACE indexChao1指数
Chao1 index香农指数
Shannon index覆盖率
Coverage (%)细菌
Bacteria单作小麦 Monocultured wheat 2129.97±14.25a 2148.91±16.95a 9.61±0.15a 99.83 间作小麦 Intercropped wheat 2086.15±10.42b 2092.80±8.72b 9.66±0.04a 99.89 单作红花 Monocultured safflower 2074.00±4.13a 2086.89±10.42a 9.70±0.01b 99.89 间作红花 Intercropped safflower 2070.49±22.17a 2081.60±26.05a 9.76±0.02a 99.89 真菌
Fungus单作小麦 Monocultured wheat 403.11±66.59a 343.25±63.33a 6.69±0.03a 99.96 间作小麦 Intercropped wheat 516.84±55.74a 357.20±59.44a 6.17±0.09b 99.92 单作红花 Monocultured safflower 603.03±12.23a 466.93±5.68a 7.05±0.12a 99.93 间作红花 Intercropped safflower 449.07±81.04a 367.84±18.16b 6.67±0.46a 99.92 同列数据后不同小写字母表示同一微生物同一作物两种处理间差异显著(P<0.05). Values of different treatments of the same crop for the same microorganism followed by different letters in a column are significantly different (P<0.05). ![]()
图 1 小麦红花间作根际土壤细菌(a)和真菌(b) OTU韦恩图分析W: 单作小麦; WRW: 间作小麦; R: 单作红花; WRR: 间作红花。W: monocultured wheat; WRW: intercropped wheat; R: monocultured safflower; WRR: intercropped safflower.Figure 1. OTU Venn diagram analysis of rhizosphere soil bacteria (a) and fungui (b) of wheat and safflower intercropping system小麦红花根际土壤细菌多样性指数分析结果(表2)表明, 间作均不同程度地提高了小麦和红花根际细菌的Shannon指数, 且在红花根际达到显著水平(P<0.05), 表明间作体系内小麦红花根际土壤细菌多样性大于单作; 而细菌ACE指数和Chao1指数在小麦和红花根际均表现为间作低于单作, 且在小麦根际达到显著水平(P<0.05), 表明间作降低小麦和红花根际细菌群落的丰富度。小麦红花根际真菌多样性分析结果表明, 间作均不同程度地降低了真菌Shannon指数, 且在小麦根际达显著水平(P<0.05), 表明间作降低了小麦和红花根际真菌的多样性。真菌ACE指数和Chao1指数在小麦和红花根际明显不同, 在小麦根际表现为间作高于单作, 在红花根际则表现为间作低于单作, 说明间作可提高小麦根际真菌的丰富度, 但降低了红花根际真菌的丰富度。
进一步分析间作对小麦红花根际细菌真菌群落均衡的影响, 结果(图2)表明, 间作显著降低了红花根际真菌和细菌ITS/16S的比值, 说明间作对红花根际细菌和真菌间的均衡性产生了显著影响(P<0.05)。
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图 2 小麦红花间作根际土壤微生物群落均衡性分析Y轴为细菌和真菌操作分类单元(OTUs)的比率; W: 单作小麦; WRW: 间作小麦; R: 单作红花; WRR: 间作红花。Y-axis is the ratio of bacterial and fungal operational taxonomic units (OTUs). W: monocultured wheat; WRW: intercropped wheat; R: monocultured safflower; WRR: intercropped safflower.Figure 2. Equilibrium analysis of rhizosphere soil microbial community of wheat and safflower intercropping system利用PCoA分析研究小麦红花根际细菌真菌群落结构, 结果表明, 红花根际土壤细菌群落在第1轴上明显分散开来, 细菌群落结构的改变主要是由PCoA2引起, 占总方差的18.81%; PCoA1和PCoA2成分共同解释了55.91%的方差(图3A)。红花根际真菌群落在第2轴上明显分散开来, 说明红花根际真菌群落结构的改变主要是由PCoA1引起, 占总方差的21.57% (图3B); PCoA1和PCoA2成分共同解释了38.27%的方差。基于Bray-Curtis分别对小麦红花根际细菌及真菌PCoA结果进行置换多元方差分析, 结果表明, 间作对小麦红花根际细菌群落的影响并不显著(小麦: R2=0.246, P=0.100; 红花: R2=0.396, P=0.1000), 但是对小麦红花根际真菌群落产生了显著影响(小麦: R2=0.276, P=0.001; 红花: R2=0.311, P=0.001)。
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图 3 小麦红花间作根际土壤细菌(A)和真菌(B)群落PCoA分析W: 单作小麦; WRW: 间作小麦; R: 单作红花; WRR: 间作红花。W: monocultured wheat; WRW: intercropped wheat; R: monocultured safflower; WRR: intercropped safflower.Figure 3. PCoA analysis of bacteria (A) and fungi (B) communities in rhizosphere soil of wheat and safflower intercropping system基于门水平分析小麦红花根际细菌真菌群落组成发现(图4), 小麦和红花根际优势细菌门为变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes), 3大优势菌门在单作小麦、间作小麦、单作红花和间作红花平均相对丰度总占比分别为71.13%、70.57%、71.40%和70.06%; 间作显著提高了红花根际酸杆菌门、Rokubacteria的相对丰度(P<0.05), 分别增加6.18%和28.99%, 间作对小麦根际各菌门影响并不显著。小麦红花根际优势真菌菌门为子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota), 优势真菌菌门在单作小麦、间作小麦、单作红花和间作红花平均相对丰度总占比分别为75.99%、80.08.17%、90.50%和69.88%; 间作条件下, 根际被孢霉门(Mortierellomycota)显著富集在红花根际(P<0.05), 平均相对丰度占比达14.80%, 较单作显著增加436%; 同时, 显著降低了红花根际子囊菌门的相对丰度(P<0.05), 降幅达33.66%; 间作对小麦红花根际担子菌门(Basidiomycota)的相对丰度均有不同幅度的提高, 分别提高37.09%和45.47%。
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图 4 小麦红花间作根际土壤细菌(A)和真菌(B)的门水平丰富度Proteobacteria: 变形菌门; Acidobacteria: 酸杆菌门; Bacteroidetes: 拟杆菌门; Gemmatimonadetes: 芽单胞菌门; Actinobacteria: 放线菌门; Chloroflexi: 绿弯菌门; Firmicutes: 厚壁菌门; Verrucomicrobia: 疣微菌门; Nitrospirae: 硝化螺旋菌门; Others: 其他; Ascomycota: 子囊菌门; Basidiomycota: 担子菌门; Mortierellomycota: 被孢霉门; Others: 其他; Unclassified: 未分类. W: 单作小麦; WRW: 间作小麦; R: 单作红花; WRR: 间作红花。W: monocultured wheat; WRW: intercropped wheat; R: monocultured safflower; WRR: intercropped safflower.Figure 4. Abundance of bacteria (A) and fungal (B) at phylum level in rhizosphere soil of wheat and safflower intercropping system进一步从属水平分析小麦红花根际细菌真菌群落组成发现, 在属水平对相对丰度排名前20的菌属进行分析, 得到了8种可明确分类到属水平的菌属(图5)。结果表明, 间作小麦根际鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)、马赛菌属(Massilia)、Pontibacter、RB41和硝化螺菌属(Nitrospira)的相对丰度较单作小麦分别提高13.07%、23.08%、9.57%、14.83%和5.87%, 在Pontibacter属达显著水平(P<0.05)。与小麦不同, 间作红花较单作红花在鞘脂单胞菌属、Pontibacter属的相对丰度分别显著降低21.79%、33.61% (P<0.05), 但MND1属的相对丰度显著提高24.37% (P<0.05)。对相对丰度排名前10的真菌菌属分析结果表明, 与单作小麦相比, 间作小麦在被孢霉属(Mortierella)、镰刀菌属(Fusarium)、Wickerhamomyces、枝孢霉属(Cladosporium)、曲霉属(Aspergillus)的相对丰度分别降低36.10%、40.96%、47.17%、11.13%和19.94%, Filobasidium属的相对丰度显著提高99.07% (P<0.05)。与单作红花相比, 间作红花在镰刀菌属和链格孢属(Alternaria)的相对丰度显著降低77.42%和66.28% (P<0.05), 被孢霉属、Wickerhamomyces和Filobasidium属的相对丰度显著提高454.00%、716.00%和75.00% (P<0.05)。
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图 5 小麦红花间作根际土壤细菌(A)和真菌(B)属的丰富度Sphingomonas: 鞘脂单胞菌属; Massilia: 马赛菌属; Adhaeribacter: 土黏结杆菌; Nitrospira: 硝化螺菌属; Mortierella: 被孢霉属; Fusarium: 镰刀菌属; Alternaria: 链格孢属; Cladosporium: 枝孢霉属; Funneliformis: 管柄囊霉属; Acremonium: 顶孢霉属; Aspergillus: 曲霉属。W: 单作小麦; WRW: 间作小麦; R: 单作红花; WRR: 间作红花。不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。W: monocultured wheat; WRW: intercropped wheat; R: monocultured safflower; WRR: intercropped safflower. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05).Figure 5. Abundance of bacteria (A) and fungal (B) genus in the rhizosphere soil of wheat and safflower intercropping system2.3 小麦红花间作对根际土壤细菌真菌群落功能的影响
使用FARPROTAX预测得到小麦和红花根际土壤细菌功能注释结果(表3): 注释到参与好氧氨氧化、硝化作用、发酵、硝酸盐还原过程的细菌总相对丰度占比表现为红花间作显著高于单作, 相对丰度总占比分别提高14.99%、10.49%、37.31%和25.72%; 然而, 注释到参与到好氧化能异氧和化能异氧过程细菌总相对丰度占比表现为红花间作显著低于单作, 相对丰度总占比分别为19.18%和6.58% (P<0.05)。但间作对小麦根际细菌群落功能并未产生显著影响。综上, 小麦红花间作可能对红花根际土壤养分循环过程产生重要影响。
表 3 小麦红花间作根际细菌FARPROTAX功能预测Table 3. Bacterial FARPROTAX function prediction in the rhizosphere soil of wheat and safflower intercropping system功能
Function单作小麦
Monocultured wheat间作小麦
Intercropped wheat单作红花
Monocultured safflower间作红花
Intercropped safflower% 好氧氨氧化 Aerobic_ammonia_oxidation 4.25±0.11bc 3.85±0.07c 4.27±0.24b 4.91±0.23a 好氧亚硝酸盐氧化 Aerobic_nitrite_oxidation 1.82±0.10a 1.77±0.02a 2.03±0.16a 2.04±0.29a 硝化作用 Nitrification 6.07±0.01bc 5.62±0.08c 6.29±0.37b 6.95±0.48a 几丁质溶解 Chitinolysis 1.11±0.04ab 0.92±0.23b 1.25±0.16a 1.05±0.14ab 发酵 Fermentation 4.81±0.37b 6.49±1.30ab 6.03±0.40b 8.28±1.22a 好氧化能异氧 Aerobic_chemoheterotrophy 28.70±0.41a 27.09±1.26ab 26.41±0.70b 22.16±1.00c 硝酸盐还原 Nitrate_reduction 2.83±0.07b 3.20±0.48ab 3.11±0.26b 3.91±0.46a 尿素溶解 Ureolysis 4.43±0.39a 4.90±0.66a 3.34±0.35b 2.97±0.11b 化能异氧 Chemoheterotrophy 34.03±0.12a 33.85±0.36a 33.44±0.39a 31.24±0.50b 同行数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05). Values followed by different letters in a line are significantly different (P<0.05)． 真菌FUNGuild数据库注释结果(表4)显示: 在红花根际, 注释到的丛枝菌根菌类真菌相对丰度总占比表现为红花间作显著高于单作, 增幅高达197%; 相反, 注释到的内生真菌和寄生真菌类真菌的相对丰度总占比表现为红花间作显著低于单作, 分别降低78.18%和67.66% (P<0.05); 此外, 注释到的植物腐生生物和植物病原菌真菌的相对丰度总占比分别降低46.27%和38.90%。在小麦根际, 注释到的土壤腐生生物类真菌的相对丰度总占比表现为小麦间作显著低于单作, 降低99%, 但对其余类别未造成显著影响。综上, 小麦红花间作可有效降低红花根际土壤中有害真菌如植物病原菌类真菌的相对丰度, 增加有益真菌如丛枝菌根类真菌的相对丰度。
表 4 小麦红花间作根际土壤真菌FUNGuild功能预测Table 4. Fungi FUNGuild function prediction in the rhizosphere soil of wheat and safflower intercropping system% 功能群
Function group单作小麦
Monocultured wheat间作小麦
Intercropped wheat单作红花
Monocultured safflower间作红花
Intercropped safflower动物病原菌 Animal pathogen 9.30±2.53a 5.82±4.07a 5.98±0.63a 6.40±3.84a 丛枝菌根 Arbuscular mycorrhizal 6.41±2.93a 5.10±3.04ab 2.20±0.67c 6.53±2.70b 粪便腐生生物 Dung saprotroph 6.63±0.79a 11.81±4.98a 6.87±1.40a 5.98±3.22a 外生菌根 Ectomycorrhizal 0.93±0.65a 2.30±0.75a 1.09±0.27a 4.54±4.05a 内生真菌 Endophyte 2.05±1.60ab 1.56±2.20ab 4.17±0.22a 0.91±0.93b 寄生真菌 Fungal parasite 11.01±3.42a 6.49±2.84ab 8.75±0.54a 2.83±1.45b 植物病原菌 Plant pathogen 10.88±1.77b 10.43±3.72b 24.63±1.24a 15.05±9.00ab 植物腐生生物 Plant saprotroph 2.98±0.89b 7.46±4.54ab 11.13±0.67a 5.98±2.12b 土壤腐生生物 Soil saprotroph 1.73±0.84a 0.01±0.01b 0.84±0.52b 0.98±0.94b 木质腐生生物 Wood saprotroph 4.54±1.52a 6.22±0.30a 2.91±0.54a 4.92±2.72a 同行数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05). Values followed by different letters in a line are significantly different (P<0.05)． 2.4 细菌真菌多样性及功能对小麦红花产量的潜在影响
将细菌多样性和功能与产量进行Pearson相关性分析(图6A), 结果发现, Shannon多样性指数与产量呈显著负相关, 产量与化能异氧和尿素溶解过程相关基因丰度呈显著正相关, 与好氧亚硝酸盐氧化、好氧氨氧化、硝化作用等过程显著负相关(P<0.05), 说明根际土壤细菌的潜在功能可能对产量产生了重要影响。具体分析根际土壤优势细菌属与功能基因丰度的关系(图6C), 结果发现, 马赛菌属、Pontibacter与尿素溶解、化能异氧等养分循环过程显著正相关(P<0.05), 与好氧氨氧化、硝化作用呈显著负相关(P<0.05), MND1与尿素溶解、化能异氧过程呈显著负相关,与好氧氨氧化、硝化作用呈显著正相关(P<0.05), 此外, RB41、硝化螺菌属与尿素溶解过程呈显著负相关(P<0.05)。可见, 在优势细菌属中, 马赛菌属、Pontibacter、MND1、RB41、硝化螺菌属是发挥根际微生物群落功能的重要成员。
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图 6 小麦红花间作根际土壤细菌(A, C)真菌(B, D)多样性及功能与产量及优势菌属相对丰度的相关性*: P<0.05; **: P<0.01: ***: P<0.001.Figure 6. Pearson correlations of diversity, function and yield of bacteria (A, C) and fungi (B, D) with relative abundance of dominant genera in the rhizosphere soil of wheat and safflower intercropping system真菌多样性及功能与产量相关分析结果表明(图6B), 产量与植物病原菌功能基因丰度显著负相关(P<0.05), 具体分析真菌优势菌属与功能基因丰度的关系发现(图6D), 镰刀菌属(Fusarium)与植物病原菌功能基因丰度显著正相关, Filobasidium、Vishniacozyma与之呈显著负相关(P<0.05)。可见, 镰刀菌属或许是引起植物病原菌功能基因丰度变化的优势真菌属。
2.5 小麦红花根际土壤细菌真菌共现网络分析
大多数基于微生物的高通量数据的分析方法只关注所研究群落的单一属性, 很少关注微生物物种之间的相互作用, 共现网络分析被广泛用于探索复杂微生物群落中微生物分类单元之间的相互作用, 本研究在属水平分别选取不同处理下小麦红花根际细菌真菌相对丰度排名前50的菌属, 利用共现网络图比较不同处理下细菌和真菌群落的共生关系和群落复杂性(图7)。不同处理下微生物群落的拓扑网络性质如表5所示, 与单作小麦相比, 间作小麦增加微生物网络的总边缘数, 红花则相反, 说明间作可一定程度上提高小麦根际微生物网络的复杂性, 降低红花根际微生物网络的复杂性。与单作相比, 间作小麦和间作红花均增加了负相关边在总边中所占的比例, 降低了正相关边所占的比例。在图密度和模块性指数上, 间作小麦较单作小麦均有明显提高, 红花则相反。值得注意的是, 单作红花根际镰刀菌属位于网络的中心, 且数量明显多于间作, 说明在单作体系下镰刀菌属与其他菌属间的关系更为密切, 间作可能通过影响微生物间的相互作用进而减少红花根际镰刀菌属的数量。
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图 7 小麦红花间作根际土壤微生物群落共现网络分析Ascomycota: 子囊菌门; Proteobacteria: 变形菌门; Bacteroidetes: 拟杆菌门; Acidobacteria: 酸杆菌门; Basidiomycota: 担子菌门; Unclassified: 未分类; Mortierellomycota: 被孢霉门; Chytridiomycota: 壶菌门; Glomeromycota: 球囊菌门; Fibrobacteres: 纤维杆菌门; Gemmatimonadetes: 芽单胞菌门; Olpidiomycota: 油壶菌门; Firmicutes: 厚壁菌门; Actinobacteria: 放线菌门; Verrucomicrobia: 疣微杆菌门; Nitrospirae: 硝化螺旋菌门; Tenericutes: 软壁菌门; Spirochaetes: 软壁菌门Figure 7. Co-occurrence network analysis of soil microbial communities in the rhizosphere soil of wheat and safflower intercropping systemA: 单作小麦; B: 间作小麦; C: 单位红花; D: 间作红花。红线表示正相关, 蓝线表示负相关, 节点大小与连接数呈正比。A: monocultured wheat; B: intercropped wheat; C: monocultured safflower; D: intercropped safflower. The red line indicates a positive correlation, and the blue line indicates a negative correlation. The node size is proportional to the number of connections.表 5 小麦红花间作根际土壤微生物群落共现网络拓扑性质Table 5. Co-occurrence network topological properties of soil microbial communities网络指标
Network indicator单作小麦
Monocultured wheat间作小麦
Intercropped wheat单作红花
Monocultured safflower间作红花
Intercropped safflower节点数 Nodes number 100 100 100 100 边数 Edges number 1554 1562 1680 1642 正相关边数占比
Positive correlation edge proportion (%)55.02 50.38 60.65 51.31 负相关边占比
Negative correlation edge proportion (%)44.98 49.62 39.35 48.69 图密度 Graph density 0.314 0.329 0.346 0.332 模块化 Modularity 0.599 0.658 0.339 0.332 3. 讨论与结论
间作制度在农学、生态学、植物生理学均具有重要意义, 总的来说, 合理的间作制度可改变土壤微生物多样性[33], 减少发病率, 提高作物产量[34]。为了更好地缓解河南局部地区存在的粮药争地矛盾, 保证粮食安全的同时, 稳步发展具有地区特色优势的中草药材, 本研究选用在河南极具种植优势的中草药材红花同广泛种植的小麦间作, 探究小麦红花间作体系的生产力及对根际微生物群落结构的影响。研究结果表明, 小麦红花间作土地当量比接近于1, 并没有显现出明显的间作优势, 具体表现为间作提高了小麦产量, 显著降低了红花的产量, 具体原因可能是小麦根系属于须根系, 具有庞大的侧根结构, 在养分等资源竞争上处于优势地位, 而红花根系属于直根系, 侧根短而细, 加上行距同普通小麦行距, 因而在养分竞争上处于弱势地位, 进而引起了后期产量上的差异。
土壤微生物多样性与土壤生态系统稳定性和养分转化密切相关[35], 大量研究表明, 作物间作不仅能增加地上部生物多样性, 还能对地下土壤微生物多样性和组成起到调节作用[36]。土壤微生物多样性指数和丰富度指数是表征群落多样性的常用指数, 常常用来揭示土壤微生物种类以及功能的差异[37]。本研究结果表明, 间作提高了小麦红花根际细菌多样性, 降低了真菌的多样性, 在丰富度上, 间作条件下除间作小麦根际真菌丰富度明显提高外, 在细菌以及红花根际细菌真菌丰富度均有不同程度下降。与之类似, 吴加香等[38]在黄草乌(Aconitum vilmorinianum Kom.)间作玉米研究中表明, 黄草乌间作玉米同样提高了黄草乌根际微生物多样性, 同时也显著提高了黄草乌根际真菌群落的丰富度。其与董艳等[39]报道的蚕豆小麦间作提高蚕豆、小麦根际微生物的丰富度指数与多样性指数的研究结果类似。除此之外, Wang等[40]在小麦间作芸薹属(Brassica)植物的研究中也得出了与本研究结果类似的结论。间作可以影响其根际土壤微生物群落的多样性, 该结果也与大多数的作物间作能提高根际微生物的多样性的研究结果相同[41]。这表明间作可使土壤微生物群落多样化, 其原因可能是由于不同的植物种类对土壤微生物群落产生了影响[42], 间作系统中不同作物会产生不同的特异根系分泌物, 并形成与之相适应的特异的根际微生物群落, 复杂的微生物群落可能提高土壤微生物的整体代谢活性, 促进土壤微生物群落结构多样化的形成[43]。此外, 为进一步了解间作对小麦红花根际微生物群落结构的影响, 分别对小麦红花根际细菌及真菌群落进行均衡性分析发现, 间作显著降低了红花根际真菌和细菌的OTU比值(图2), 说明间作对红花根际真菌与细菌均衡性产生了显著影响, 同时, PCoA分析结果表明间作显著影响了红花根际真菌群落结构(P<0.05), 这说明细菌与真菌群落的均衡性可能受到种植方式的影响, 但考虑到根际微生物类群复杂多样, 微生物间存在复杂的相互作用, 具体是哪种原因导致红花根际微生物群落结构的改变还需做进一步验证。
为了进一步揭示微生物群落的潜在功能, 通过FAPROTAX和FUNGuild分别对小麦和红花根际细菌和真菌进行功能预测。细菌预测结果表明, 间作显著提高了红花根际的好氧氨氧化、硝化作用、硝酸盐还原等过程, 可见, 间作对红花根际养分循环具有显著的影响, 结合细菌优势菌属与功能预测相关性分析结果发现(图6C), 细菌MND1属与尿素溶解、硝化作用、硝酸盐还原、发酵化能自养等功能具有显著相关性, 结合属水平(图5A)细菌相对丰度结果发现, MND1属的相对丰度在红花根际表现出间作显著高于单作, MND1属是亚硝化单胞菌科(Nitrosomonadaceae)的一属, 亚硝化单胞菌科是参与硝化作用的一类重要微生物类群, 可见, MND1属是引起根际养分循环过程的重要菌属, 因此, 间作红花可能是改变了根际MND1等参与养分循环过程相关菌属丰度, 进而调控红花根际养分循环过程, 提高养分的有效性, 从而缓解间作体系内红花对养分竞争的不利地位。进一步对真菌功能进行预测发现, 同样间作对红花根际真菌功能也产生了显著影响, 间作显著提高了红花根际丛枝菌根类真菌的相对丰度(表4), 丛枝菌根在促进植物生长发育、改善宿主对养分的吸收利用上发挥着重要作用, 结合优势真菌属与功能预测结果发现, 曲霉属、枝孢霉属、管柄囊霉属与丛枝菌根功能基因相对丰度显著正相关(图6D), 其相对丰度在红花根际均表现为间作高于单作, 此外, 被孢霉属作为根际有益微生物, 其相对丰度在红花间作体系中也明显高于单作体系(图5B), 可见, 处于竞争劣势的红花也可调动优势真菌菌属相对丰度以适应其在养分竞争上的不利地位, 有益微生物的增加不仅能够促进植物生长, 而且可以提高植物的抵抗力水平, 促生机制主要表现为使植物获得水分、无机盐等营养物质的能力提高[44]。此外, 功能预测结果发现, 间作显著降低了红花根际植物病原菌类真菌的总相对丰度, 有趣的是, 在相关性分析结果中发现(图6D), 致病菌属镰刀菌属与植物病原菌呈显著正相关, 且间作显著降低了红花根际镰刀菌属的相对丰度(图5B)。此外, 从共现网络图中(图7C,D)也可明显看出镰刀菌属在间作红花中的比例明显低于单作, 并且在单作红花中镰刀菌属位于网络的中心, 与其他菌属间的关系密切。研究表明, 为了维持整个系统的稳定性, 土壤微生物群落中致病微生物越多, 要求微生物之间的关系越复杂[45]。从共现网络的总边数也可以看出, 单作红花较间作更为复杂, 说明小麦/红花间作可在一定程度上减少红花根际病原菌的数量。与本研究结果类似, 代真林等[18]在玉米大豆间作体系中研究得出间作处理下玉米根际镰刀菌属的相对丰度低于单作。此外, 间作也显著降低了红花根际链格孢属的相对丰度(图5B), 链格孢属同样是引起植物病害的重要真菌类群之一。可见, 小麦红花间作体系可在一定程度上提高红花根际有益真菌的相对丰度, 降低有害病原真菌的相对丰度, 然而, 其对更多功能性真菌的影响还有待进一步研究。
综上, 小麦红花2∶1间作模式并没有展现出明显的间作优势, 但间作明显提高了小麦红花根际细菌多样性, 处于竞争劣势的红花可通过优化根际微生物群落结构, 改善微生物群落组成, 从而改善根际养分循环过程, 提高养分利用效率。此外, 间作可显著降低红花根际镰刀菌属、链格孢属等致病菌的相对丰度, 对防治红花根腐病、黑斑病均具有重要生态学意义。然而, 由于根际土壤微生物的复杂性, 许多微生物的功能尚未明了, 因此, 今后可以结合土壤理化性质, 通过宏基因组测序进一步分析小麦红花间作条件下根际土壤微生物的功能, 进而了解小麦红花间作体系的生产和生态效益, 并结合地上部植株生长发育状况, 适当增加间作组合, 以期构建合理的适宜推广的小麦红花间作模式。
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图 1 小麦红花间作根际土壤细菌(a)和真菌(b) OTU韦恩图分析
W: 单作小麦; WRW: 间作小麦; R: 单作红花; WRR: 间作红花。W: monocultured wheat; WRW: intercropped wheat; R: monocultured safflower; WRR: intercropped safflower.
Figure 1. OTU Venn diagram analysis of rhizosphere soil bacteria (a) and fungui (b) of wheat and safflower intercropping system
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图 2 小麦红花间作根际土壤微生物群落均衡性分析
Y轴为细菌和真菌操作分类单元(OTUs)的比率; W: 单作小麦; WRW: 间作小麦; R: 单作红花; WRR: 间作红花。Y-axis is the ratio of bacterial and fungal operational taxonomic units (OTUs). W: monocultured wheat; WRW: intercropped wheat; R: monocultured safflower; WRR: intercropped safflower.
Figure 2. Equilibrium analysis of rhizosphere soil microbial community of wheat and safflower intercropping system
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图 3 小麦红花间作根际土壤细菌(A)和真菌(B)群落PCoA分析
W: 单作小麦; WRW: 间作小麦; R: 单作红花; WRR: 间作红花。W: monocultured wheat; WRW: intercropped wheat; R: monocultured safflower; WRR: intercropped safflower.
Figure 3. PCoA analysis of bacteria (A) and fungi (B) communities in rhizosphere soil of wheat and safflower intercropping system
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图 4 小麦红花间作根际土壤细菌(A)和真菌(B)的门水平丰富度
Proteobacteria: 变形菌门; Acidobacteria: 酸杆菌门; Bacteroidetes: 拟杆菌门; Gemmatimonadetes: 芽单胞菌门; Actinobacteria: 放线菌门; Chloroflexi: 绿弯菌门; Firmicutes: 厚壁菌门; Verrucomicrobia: 疣微菌门; Nitrospirae: 硝化螺旋菌门; Others: 其他; Ascomycota: 子囊菌门; Basidiomycota: 担子菌门; Mortierellomycota: 被孢霉门; Others: 其他; Unclassified: 未分类. W: 单作小麦; WRW: 间作小麦; R: 单作红花; WRR: 间作红花。W: monocultured wheat; WRW: intercropped wheat; R: monocultured safflower; WRR: intercropped safflower.
Figure 4. Abundance of bacteria (A) and fungal (B) at phylum level in rhizosphere soil of wheat and safflower intercropping system
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图 5 小麦红花间作根际土壤细菌(A)和真菌(B)属的丰富度
Sphingomonas: 鞘脂单胞菌属; Massilia: 马赛菌属; Adhaeribacter: 土黏结杆菌; Nitrospira: 硝化螺菌属; Mortierella: 被孢霉属; Fusarium: 镰刀菌属; Alternaria: 链格孢属; Cladosporium: 枝孢霉属; Funneliformis: 管柄囊霉属; Acremonium: 顶孢霉属; Aspergillus: 曲霉属。W: 单作小麦; WRW: 间作小麦; R: 单作红花; WRR: 间作红花。不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。W: monocultured wheat; WRW: intercropped wheat; R: monocultured safflower; WRR: intercropped safflower. Different lowercase letters indicate significant differences among treatments (P<0.05).
Figure 5. Abundance of bacteria (A) and fungal (B) genus in the rhizosphere soil of wheat and safflower intercropping system
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图 6 小麦红花间作根际土壤细菌(A, C)真菌(B, D)多样性及功能与产量及优势菌属相对丰度的相关性
*: P<0.05; **: P<0.01: ***: P<0.001.
Figure 6. Pearson correlations of diversity, function and yield of bacteria (A, C) and fungi (B, D) with relative abundance of dominant genera in the rhizosphere soil of wheat and safflower intercropping system
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图 7 小麦红花间作根际土壤微生物群落共现网络分析
Ascomycota: 子囊菌门; Proteobacteria: 变形菌门; Bacteroidetes: 拟杆菌门; Acidobacteria: 酸杆菌门; Basidiomycota: 担子菌门; Unclassified: 未分类; Mortierellomycota: 被孢霉门; Chytridiomycota: 壶菌门; Glomeromycota: 球囊菌门; Fibrobacteres: 纤维杆菌门; Gemmatimonadetes: 芽单胞菌门; Olpidiomycota: 油壶菌门; Firmicutes: 厚壁菌门; Actinobacteria: 放线菌门; Verrucomicrobia: 疣微杆菌门; Nitrospirae: 硝化螺旋菌门; Tenericutes: 软壁菌门; Spirochaetes: 软壁菌门
Figure 7. Co-occurrence network analysis of soil microbial communities in the rhizosphere soil of wheat and safflower intercropping system
A: 单作小麦; B: 间作小麦; C: 单位红花; D: 间作红花。红线表示正相关, 蓝线表示负相关, 节点大小与连接数呈正比。A: monocultured wheat; B: intercropped wheat; C: monocultured safflower; D: intercropped safflower. The red line indicates a positive correlation, and the blue line indicates a negative correlation. The node size is proportional to the number of connections.
表 1 小麦红花间作体系的产量及土地当量比
Table 1 Yield and land equivalent ratio of wheat and safflower intercropping system
种植模式
Planting pattern产量 Yield (kg∙hm–2) 偏土地当量比 Partial land equivalent ratio 土地当量比
Land equivalent ratio小麦
Wheat红花
Safflower小麦
Wheat红花
Safflower单作 Monoculture 6574.07±462.53a 419.25±35.90b — — — 间作 Intercropping 4934.44±152.07b 1826.24±54.54a 0.78 0.23 1.01 同列数据后不同小写字母表示两种模式间差异显著(P<0.05). Values followed by different letters in a column are significantly different (P<0.05). 
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表 2 小麦红花间作土壤根际细菌和真菌的多样性指数
Table 2 Diversity indexes of bacteria and fungi communities in rhizosphere soil of wheat and safflower intercropping system
微生物
Microorganism处理
TreatmentACE指数
ACE indexChao1指数
Chao1 index香农指数
Shannon index覆盖率
Coverage (%)细菌
Bacteria单作小麦 Monocultured wheat 2129.97±14.25a 2148.91±16.95a 9.61±0.15a 99.83 间作小麦 Intercropped wheat 2086.15±10.42b 2092.80±8.72b 9.66±0.04a 99.89 单作红花 Monocultured safflower 2074.00±4.13a 2086.89±10.42a 9.70±0.01b 99.89 间作红花 Intercropped safflower 2070.49±22.17a 2081.60±26.05a 9.76±0.02a 99.89 真菌
Fungus单作小麦 Monocultured wheat 403.11±66.59a 343.25±63.33a 6.69±0.03a 99.96 间作小麦 Intercropped wheat 516.84±55.74a 357.20±59.44a 6.17±0.09b 99.92 单作红花 Monocultured safflower 603.03±12.23a 466.93±5.68a 7.05±0.12a 99.93 间作红花 Intercropped safflower 449.07±81.04a 367.84±18.16b 6.67±0.46a 99.92 同列数据后不同小写字母表示同一微生物同一作物两种处理间差异显著(P<0.05). Values of different treatments of the same crop for the same microorganism followed by different letters in a column are significantly different (P<0.05).
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表 3 小麦红花间作根际细菌FARPROTAX功能预测
Table 3 Bacterial FARPROTAX function prediction in the rhizosphere soil of wheat and safflower intercropping system
功能
Function单作小麦
Monocultured wheat间作小麦
Intercropped wheat单作红花
Monocultured safflower间作红花
Intercropped safflower% 好氧氨氧化 Aerobic_ammonia_oxidation 4.25±0.11bc 3.85±0.07c 4.27±0.24b 4.91±0.23a 好氧亚硝酸盐氧化 Aerobic_nitrite_oxidation 1.82±0.10a 1.77±0.02a 2.03±0.16a 2.04±0.29a 硝化作用 Nitrification 6.07±0.01bc 5.62±0.08c 6.29±0.37b 6.95±0.48a 几丁质溶解 Chitinolysis 1.11±0.04ab 0.92±0.23b 1.25±0.16a 1.05±0.14ab 发酵 Fermentation 4.81±0.37b 6.49±1.30ab 6.03±0.40b 8.28±1.22a 好氧化能异氧 Aerobic_chemoheterotrophy 28.70±0.41a 27.09±1.26ab 26.41±0.70b 22.16±1.00c 硝酸盐还原 Nitrate_reduction 2.83±0.07b 3.20±0.48ab 3.11±0.26b 3.91±0.46a 尿素溶解 Ureolysis 4.43±0.39a 4.90±0.66a 3.34±0.35b 2.97±0.11b 化能异氧 Chemoheterotrophy 34.03±0.12a 33.85±0.36a 33.44±0.39a 31.24±0.50b 同行数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05). Values followed by different letters in a line are significantly different (P<0.05)．
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表 4 小麦红花间作根际土壤真菌FUNGuild功能预测
Table 4 Fungi FUNGuild function prediction in the rhizosphere soil of wheat and safflower intercropping system
% 功能群
Function group单作小麦
Monocultured wheat间作小麦
Intercropped wheat单作红花
Monocultured safflower间作红花
Intercropped safflower动物病原菌 Animal pathogen 9.30±2.53a 5.82±4.07a 5.98±0.63a 6.40±3.84a 丛枝菌根 Arbuscular mycorrhizal 6.41±2.93a 5.10±3.04ab 2.20±0.67c 6.53±2.70b 粪便腐生生物 Dung saprotroph 6.63±0.79a 11.81±4.98a 6.87±1.40a 5.98±3.22a 外生菌根 Ectomycorrhizal 0.93±0.65a 2.30±0.75a 1.09±0.27a 4.54±4.05a 内生真菌 Endophyte 2.05±1.60ab 1.56±2.20ab 4.17±0.22a 0.91±0.93b 寄生真菌 Fungal parasite 11.01±3.42a 6.49±2.84ab 8.75±0.54a 2.83±1.45b 植物病原菌 Plant pathogen 10.88±1.77b 10.43±3.72b 24.63±1.24a 15.05±9.00ab 植物腐生生物 Plant saprotroph 2.98±0.89b 7.46±4.54ab 11.13±0.67a 5.98±2.12b 土壤腐生生物 Soil saprotroph 1.73±0.84a 0.01±0.01b 0.84±0.52b 0.98±0.94b 木质腐生生物 Wood saprotroph 4.54±1.52a 6.22±0.30a 2.91±0.54a 4.92±2.72a 同行数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05). Values followed by different letters in a line are significantly different (P<0.05)．
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表 5 小麦红花间作根际土壤微生物群落共现网络拓扑性质
Table 5 Co-occurrence network topological properties of soil microbial communities
网络指标
Network indicator单作小麦
Monocultured wheat间作小麦
Intercropped wheat单作红花
Monocultured safflower间作红花
Intercropped safflower节点数 Nodes number 100 100 100 100 边数 Edges number 1554 1562 1680 1642 正相关边数占比
Positive correlation edge proportion (%)55.02 50.38 60.65 51.31 负相关边占比
Negative correlation edge proportion (%)44.98 49.62 39.35 48.69 图密度 Graph density 0.314 0.329 0.346 0.332 模块化 Modularity 0.599 0.658 0.339 0.332
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