科研人員在黑土區大豆連作障礙中微生物作用機制研究上取得進展

據中科院11月29日消息，黑龍江省是我國大豆的主產區，大豆種植面積佔全國種植面積40%左右，隨着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迴避的現實問題。

大量研究結果表明，大豆連作障礙的發生因素十分複雜，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，這些因素既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。而以往基於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羣落組成、多樣性分佈及羣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。

圖1 不同處理下細菌與真菌羣落組成及聚類分析圖譜 中科院

中國科學院東北地理與農業生態研究所農田分子生態學科組基於大豆短期連作（3年和5年）、長期連作（13年）及大豆-玉米輪作等處理，採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羣落髮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的相對丰度，而顯著降低了病原真菌Fusariumsp的相對丰度（圖1）。

圖2 不同處理下細菌與真菌羣落的網絡結構 中科院

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羣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與真菌羣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羣（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、多樣性指數及羣落結構組成與短期連作處理差異顯著，但與輪作處理相似，説明大豆長期連作導致了土壤產生“抑病土”的微生物基礎。

該研究成果先後發表在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科院青年創新促進會等的資助。