農(nóng)田根際土壤微生物多樣性研究進(jìn)展

程凱凱，唐海明，李 超，湯文光，文 麗，肖小平*，易鎮(zhèn)邪

（1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，長沙 410128；2湖南省土壤肥料研究所，長沙 410125）

1904年，德國微生物學(xué)家Lorenz Hiltner提出了“根際”（rhizosphere）的概念，從這以后，“根際”被廣泛應(yīng)用于農(nóng)田生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域。根系表面這一特殊的土壤區(qū)域具有非常高的微生物多樣性，由于農(nóng)作物生長發(fā)育過程中根系生理特性的影響，根際土壤和非根際土壤在物理、化學(xué)及生物學(xué)特性上差異明顯［1～3］。

研究表明，不同土壤管理措施對根際土壤微生物多樣性的影響很大［4～6］。利用454高通量測序分析，Uroz等［7］發(fā)現(xiàn)菌根根際相比非根際土壤擁有更加豐富的α-、β-、γ-變形菌。傳統(tǒng)耕作措施會顯著改變根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，特別是影響由細(xì)菌所主導(dǎo)的生物化學(xué)過程，增強碳氮元素的礦化速率，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)的損失，長期采用傳統(tǒng)耕作措施會對土壤結(jié)構(gòu)和生物多樣性產(chǎn)生不利影響。有機(jī)肥施用可以改善土壤結(jié)構(gòu)并提高肥力，是改善土壤品質(zhì)的重要手段。不同種植模式以及作物品種對根際土壤微生物影響較大。Weinert等［8］研究發(fā)現(xiàn)，不同品種馬鈴薯根際土壤細(xì)菌豐度在一個范圍內(nèi)，變形菌占到了46%。不同土壤類型是影響根際土壤微生物的重要因素。創(chuàng)新根際土壤微生物的分析方法以及探討不同經(jīng)營（管理）措施對農(nóng)田土壤微生物的影響及機(jī)制，對于制定合理的經(jīng)營（管理）措施，從而構(gòu)建資源高效型、環(huán)境友好型的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)有著重要的指導(dǎo)意義［9～11］。

1 根際土壤微生物多樣性的主要分析方法

隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)（高通量測序、核酸測序、質(zhì)譜技術(shù)、超顯微和微流控）的快速發(fā)展，土壤微生物多樣性的研究方法，除了傳統(tǒng)的瓊脂培養(yǎng)基培養(yǎng)方法外，基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)開始應(yīng)用于土壤微生物的研究中，從而增進(jìn)研究者對土壤微生物多樣性的深入了解［12］。分子技術(shù)的廣泛應(yīng)用有利于打開認(rèn)知農(nóng)田土壤微生物群落的“黑箱”［13］。分子微生物生態(tài)學(xué)依賴于從土壤生物中提取并鑒定的核酸和其他細(xì)胞成分，如磷脂脂肪酸（Phospholipid Fatty Acids，PLFAS）和蛋白質(zhì)（Proteins）。通常從土壤樣品中提取的微生物細(xì)胞含有脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），運用高通量測序技術(shù)測定土壤核酸聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）的擴(kuò)增產(chǎn)物，并通過基因組雜交實驗直接分析［14］。分子生物學(xué)方法不同于傳統(tǒng)培養(yǎng)，能辨別自然界絕大多數(shù)微生物種群［15］。

隨著測序技術(shù)的進(jìn)步，如Roche的454技術(shù)、illumina的Solexa、HiSeq技術(shù)，以及ABI公司Solid技術(shù)的出現(xiàn)，標(biāo)志著第二代測序（NGS：Next-Generation Sequencing）技術(shù)的誕生［16，17］，使科學(xué)家得以更為深入地研究環(huán)境微生物分子生態(tài)學(xué)特征。通過第二代高通量測序技術(shù)的應(yīng)用，樣品測定準(zhǔn)確性以及效率大大提高，也給科研人員減輕了測序的費用壓力。

以美國Helicos BioSciences公司的真正單分子測序技術(shù)（tSMS）、美國Pacific Biosciences公司的單分子實時測序技術(shù)（SMRT）和英國Oxford Nanopore Technologies公司的納米孔單分子技術(shù)為代表的第三代測序隨著時代的發(fā)展應(yīng)運而生，測序沒有PCR擴(kuò)增環(huán)節(jié)，而且測序讀長長，彌補了第二代測序技術(shù)讀長短和系統(tǒng)偏向性的漏洞。土壤微生物的基因庫是非常重要的遺傳信息庫，運用不斷發(fā)展的測序技術(shù)，能更加深入的研究土壤根際微生物多樣性［18］。

2 不同農(nóng)田經(jīng)營（管理）措施對根際土壤微生物多樣性的影響

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)由于受到人為干擾，和沒有干擾的自然生態(tài)系統(tǒng)不同。土壤微生物與植物長期進(jìn)化發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到和諧共存的狀態(tài)，所以在自然生態(tài)系統(tǒng)中植物種類是影響根際土壤微生物的重要因素。然而在農(nóng)田系統(tǒng)中，耕作措施、外施化肥、種植模式以及土壤類型是影響農(nóng)作物根際土壤微生物的重要方面［19～21］。

2.1 土壤耕作措施對根際土壤微生物多樣性的影響

土壤耕作措施對農(nóng)作物產(chǎn)量影響非常明顯。采用適宜的土壤耕作措施可以改善土壤物理結(jié)構(gòu)，提高土壤養(yǎng)分有效性，增加根際土壤微生物多樣性，從而提高農(nóng)作物生長發(fā)育質(zhì)量，進(jìn)而增加產(chǎn)量。不同的土壤耕作方式對溫室氣體排放以及水分利用、農(nóng)田長久可持續(xù)發(fā)展等的影響非常巨大［22～25］。

與傳統(tǒng)耕作措施相比，免耕不僅能保持土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、減少土壤侵蝕和維持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)性［26，27］，并且還能提高根際土壤微生物群落的多樣性［28，29］。免耕使農(nóng)田土壤的有機(jī)質(zhì)輸入增加，而根際土壤微生物種群的差異性與農(nóng)田土壤碳源底物的差異密切相關(guān)，作物秸稈的腐解使有機(jī)底物含量大大提高，對根際土壤微生物的種群組成具有一定的影響［30］。

Yang等［31］研究發(fā)現(xiàn)，不同耕作方式對根際土壤微生物和土壤酶活性的影響先增后減，開花期最高，在同樣玉米秸稈還田措施下，深耕處理比旋耕處理根際微生物和土壤酶活性要高。陳冬林等［32］研究不同耕作措施及早稻秸稈還田對晚稻土壤微生物的影響后發(fā)現(xiàn)，早稻秸稈還田使放線菌和好氣性細(xì)菌的數(shù)量增加，而翻耕使土壤真菌數(shù)量減少。

2.2 施肥對根際土壤微生物多樣性的影響

施肥會使農(nóng)田物理、化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變化，進(jìn)而影響農(nóng)田根際土壤微生物多樣性。例如，施用無機(jī)化肥能夠顯著抑制36%～46%的根際土壤微生物呼吸作用，這可能與根際碳流的減少有關(guān)［33］。有學(xué)者試驗發(fā)現(xiàn)，秸稈還田和有機(jī)肥配施有利于增加根際土壤微生物多樣性［34］。唐海明等［35］利用長期定位試驗發(fā)現(xiàn)，長期有機(jī)無機(jī)肥配施可以增加雙季稻田根際土壤微生物群落的多樣性。倪國榮［36］研究了雙季稻區(qū)長期不同施肥制度下稻田根際土壤微生物的特性發(fā)現(xiàn)，與對照（不施肥）相比，施用有機(jī)肥處理的根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性增加，有機(jī)無機(jī)肥配施更有利于增加土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性。

姜曉宇［37］研究認(rèn)為，冬季種植綠肥可以使水稻根際微生物活性提高。廖道龍等［38］研究了不同栽培方式和有機(jī)肥施用量對冬瓜生產(chǎn)效應(yīng)的影響，結(jié)果表明，有機(jī)肥的施用量越大，根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性越豐富。

Li等［39］研究認(rèn)為，稻田的一系列施肥措施，改變了稻田土壤微生物功能多樣性。Jangid等［40］則認(rèn)為，施用無機(jī)肥比施用禽類糞肥微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性要豐富。Hussain等［41］研究了不同的施肥措施對高粱根際土壤nirK（Cu型亞硝酸鹽還原酶）和nirS（細(xì)胞色素cd1型亞硝酸鹽還原酶）基因豐度的影響，認(rèn)為施用有機(jī)肥使根際土壤nirK和nirS基因數(shù)量明顯增加。而Sarathchandra等［42］研究認(rèn)為，農(nóng)田化學(xué)肥料的施用對農(nóng)田根際土壤微生物多樣性沒有顯著影響。稻田氮肥后移是最近科學(xué)家研究的熱點，有研究認(rèn)為氮肥適當(dāng)后移，有利于水稻生長發(fā)育后期根際土壤微生物活性的增加［43］。

2.3 種植模式對根際土壤微生物多樣性的影響

唐海明等［44］研究認(rèn)為，與冬閑—雙季稻模式相比，冬季覆蓋作物秸稈還田處理提高了雙季稻田根際土壤微生物對碳源的利用程度，與冬閑處理相比其它處理均能提高根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)均勻度。王東凱等［45］采用不同種類蔬菜分別與黃瓜進(jìn)行伴生或套作種植，研究不同種植模式對黃瓜根際土壤微生物的影響。結(jié)果表明，不同種類蔬菜與黃瓜伴生或套作均能提高黃瓜根際土壤有益微生物數(shù)量，并且黃瓜根際土壤有害微生物數(shù)量降低。

長期栽培實踐中已發(fā)現(xiàn)輪作有利于減少病害發(fā)生，提高產(chǎn)量，改善品質(zhì)，并已證明根際土壤微生物是導(dǎo)致輪作與連作對植株生長發(fā)育影響的最主要因素［46］。煙草長期連作可引起植株枯萎病，導(dǎo)致煙草植株的死亡。Santhanam等［47］將分離自健康煙草植株根際的6株促生細(xì)菌菌株混合后接種，顯著降低了連作煙草的死亡率。李鑫等［48］發(fā)現(xiàn)，在鹽堿土上進(jìn)行桑樹、大豆間作與兩種作物單作相比，可提升土壤微生物群落多樣性。張向前等［49］發(fā)現(xiàn)，與玉米單作相比，玉米、花生間作和玉米、大豆間作均可提升土壤中細(xì)菌、真菌、放線菌及固氮菌的數(shù)量，并對玉米子粒品質(zhì)有積極影響，但這種影響在很大程度上受到施肥水平的影響。輪作與間作類似，也可以對植物根際土壤微生物環(huán)境和果實品質(zhì)產(chǎn)生積極影響［50，51］。Yang等［52］發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了10年玉米—冬小麥—蠶豆輪作的土壤中，根際土壤微生物活性顯著高于非根際土壤，且根際土壤在免耕條件下對碳源的代謝活性更強。

2.4 土壤類型對根際土壤微生物多樣性的影響

不同母質(zhì)發(fā)育土壤的物理結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性差異很大。前人通過研究南方雙季稻區(qū)6種典型母質(zhì)發(fā)育的土壤類型，發(fā)現(xiàn)不同土壤類型可以顯著地影響土壤微生物量碳、氮的含量，板頁巖土壤微生物量碳含量最高，河沙泥微生物量碳最低［53］。有學(xué)者研究認(rèn)為，不同土壤類型對耕作層土壤微生物量碳影響較大，以潮土最高，褐土次之，砂姜黑土最低［54，55］。有學(xué)者在亞熱帶紅壤類型上研究冬季作物對水稻生育期土壤微生物量碳、氮的影響，結(jié)果表明冬季作物處理土壤微生物碳、氮與冬閑田存在顯著差異［56］。朱波等在長期定位試驗上開展的前期測試結(jié)果表明，不同土壤類型對非根際土壤微生物量碳、氮有重要影響［53］。

徐萬里等［57］通過研究不同土壤類型對根際土壤微生物的影響認(rèn)為，不同土壤類型對根際土壤細(xì)菌和真菌影響較大，對放線菌影響較小。沈冰潔等［58］研究發(fā)現(xiàn)，對根際土壤微生物影響較大的重要原因是不同土壤類型中有機(jī)碳和全氮的含量差異。徐晶等［59］通過研究紅壤、黑土和灰漠土發(fā)現(xiàn)，隨著不同土壤耕作時間的推移，根際土壤微生物數(shù)量呈現(xiàn)明顯差異。

3 展望

根際土壤作為土壤生態(tài)系統(tǒng)特殊的界面，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的影響，未來要從以下方面進(jìn)行不斷的創(chuàng)新研究。

3.1 研究方法的不斷創(chuàng)新

在分析根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性時，假如只是利用單一的一種方法，結(jié)果往往不夠準(zhǔn)確，因此在根際微生物研究中，應(yīng)該采用多種技術(shù)相結(jié)合，但是每種方法又具有局限性，這就需要找到合適的技術(shù)搭配，因此對研究方法和技術(shù)的探索仍是重要的研究方向，這也是逐步剝離復(fù)雜影響因素，深入描述植物與根際微生物相互作用關(guān)系的研究重點與難點所在。

3.2 農(nóng)田土壤培肥與根際土壤微生物

農(nóng)田土壤培肥與根際土壤微生物的多樣性有重要聯(lián)系，因此，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂?、土壤條件、栽培模式選擇合理的農(nóng)田管理措施，結(jié)合施用綠肥、有機(jī)肥和秸稈還田等措施，促進(jìn)根際土壤微生物多樣性，培肥土壤，以有利于農(nóng)田的可持續(xù)發(fā)展［60］。近年來針對湖南雙季稻區(qū)長期少免耕、旋耕等耕作措施導(dǎo)致稻田土壤耕層變淺，耕性變劣，保水保肥性能變差等問題，重點研究深耕，并結(jié)合種植紫云英、稻草還田等綜合措施對加深耕層厚度，改善土壤結(jié)構(gòu)、擴(kuò)大土壤庫容的作用，從而提出深耕模式下的雙季稻田綠色豐產(chǎn)集成技術(shù)：不同耕作模式與品種優(yōu)化配置、土壤培肥、水旱輪作，促進(jìn)根際土壤微生物多樣性，培肥稻田土壤。

近年來，隨著高通量測序技術(shù)的發(fā)展，根際土壤微生物研究迎來了飛速發(fā)展，原位測定根際土壤微生物多樣性以及根際土壤微生物在影響農(nóng)作物養(yǎng)分轉(zhuǎn)化方面的影響都是未來研究的方向。隨著根際土壤微生物研究方法的不斷創(chuàng)新發(fā)展，根際土壤微生物的研究應(yīng)用一定能在不遠(yuǎn)的將來獲得重大進(jìn)展。