精異丙甲草胺及助劑對作物根際微生物的影響

摘要：為探討精異丙甲草胺（S-ME）及其助劑對紅小豆根際微生物群落的影響，選取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所允許的S-ME施用濃度50mL·hm-2及典型有機(jī)硅助劑濃度0.25%和0.5%，通過16S rRNA擴(kuò)增子測序技術(shù)分析了紅小豆根際細(xì)菌群落對S-ME及其助劑的響應(yīng)。結(jié)果表明：單獨(dú)施用S-ME會導(dǎo)致微生物多樣性降低，尤其是有益微生物如酸桿菌屬（RB41）的豐度顯著下降；而與助劑配施可緩解這種抑制效應(yīng)，促進(jìn)鞘氨醇單胞菌（Sphingomonas）和蓋氏菌（Gaiella）等微生物的生長。此外，0.5%有機(jī)硅助劑處理顯著增加了芽殖球菌（Blastococcus）和寡養(yǎng)單胞菌（Stenotrophomonas）的豐度，提高了微生物群落多樣性，共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系也反映了助劑的協(xié)同促進(jìn)作用。研究發(fā)現(xiàn)，助劑通過調(diào)節(jié)根際微環(huán)境和促進(jìn)有益微生物生長，可有效緩解除草劑對根際微生物的毒害效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：精異丙甲草胺；有機(jī)硅助劑；紅小豆；根際微生物；16S rRNA

中圖分類號：S482.4；S154.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-2043（2025）03-0794-12 doi：10.11654/jaes.2025-0010

使用除草劑控制田間雜草、增加農(nóng)作物產(chǎn)量是常規(guī)的農(nóng)藝措施。精異丙甲草胺（S-ME）是一種典型的氯乙酰苯胺類除草劑，用于世界范圍內(nèi)70多種作物的選擇性雜草防控。S-ME的物理和化學(xué)性質(zhì)與甲草胺（ME）相似，但其富含的S-異構(gòu)體可增加除草劑的活性[1]，在同等劑量下，S-ME的活性是ME的1.4～1.6倍[2]。S-ME在玉米、向日葵、大豆、甘蔗、棉花、甜菜、豆類等作物中施用廣泛[3-5]，主要是通過抑制超長鏈脂肪酸的合成，有效控制苗前及苗后的早期闊葉雜草生長[6-7]。

在農(nóng)藥制劑中，助劑與除草劑聯(lián)合施用可顯著提升除草效果[8]。若在農(nóng)藥配方設(shè)計(jì)中僅關(guān)注活性成分而忽略助劑等關(guān)鍵輔助成分，可能會導(dǎo)致其對非靶標(biāo)農(nóng)作物潛在毒性評估不足。有機(jī)硅表面活性劑因其優(yōu)異的擴(kuò)散性和滲透性，在提高農(nóng)藥的附著力、潤濕性、展布性和滲透力方面表現(xiàn)出決定性作用。例如，有機(jī)硅表面活性劑能夠?qū)绮菟傻挠昧繙p少至原來的一半而不影響除草效果[9]。此外，相同濃度下的有機(jī)硅助劑比礦物油和植物油更能降低烯草酮和喹禾靈兩種除草劑的表面張力，從而提高農(nóng)藥的滲透能力[10]。因此，有機(jī)硅表面活性劑在農(nóng)藥制劑中的應(yīng)用不僅提高了除草效果，還減少了化學(xué)農(nóng)藥的使用量，對于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色低碳發(fā)展具有重要意義。

土壤微生物的新陳代謝活動直接影響土壤的物質(zhì)和能量循環(huán)，是維持土壤肥力的關(guān)鍵，是土壤健康和作物生產(chǎn)力的重要指標(biāo)[11]，植物根際復(fù)雜的微生物群落，形成了地球上最具活力的生態(tài)位之一[12-13]。除草劑的使用雖能有效控制雜草生長，但也可能對土壤中的微生物群落產(chǎn)生負(fù)面影響。許多植物性狀，包括生長、物候以及對非生物脅迫和病原體的抗性，都受到根際微生物組的調(diào)節(jié)，因此根際微生物的組成和功能的變化可能反映在農(nóng)作物的適應(yīng)性和生長上[14]。研究表明，除草劑可通過改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、抑制特定微生物的生長或增強(qiáng)耐藥微生物的優(yōu)勢地位，從而影響根際土壤微生物的功能和多樣性[15-16]，或改變真菌與細(xì)菌的比例[17-18]。除草劑在發(fā)揮作用的同時導(dǎo)致土壤中有益微生物的數(shù)量顯著下降，如固氮菌、解磷細(xì)菌等，而一些病原微生物則可能因其耐藥性增強(qiáng)在根際環(huán)境中占據(jù)優(yōu)勢地位[19]。根際微生物作為植物與土壤之間的重要橋梁，通過影響植物根系形態(tài)、抗逆性及免疫力對植物的正常生長發(fā)育產(chǎn)生直接影響[12-13]，表現(xiàn)為植株生長受阻、生物量下降以及適應(yīng)性減弱[20-21]。Ji等[22]調(diào)查了不同除草劑（包括丁草胺、草甘膦、芐嘧磺隆和二甲戊樂靈）對土壤健康和作物種植的影響，以及除草劑對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性和生物量的影響，研究表明除草劑導(dǎo)致土壤微生物變化的持續(xù)時間較長，可能會影響土壤中的食物網(wǎng)和生物過程，降低土壤微生物的功能多樣性。Jiang等[23]通過研究丁草胺和芐嘧磺隆對旱種水稻土壤微生物的影響，發(fā)現(xiàn)兩種農(nóng)藥對土壤呼吸有輕微促進(jìn)作用，丁草胺明顯增加N2O的排放與土壤中NH+ 4-N和NO-3 -N含量增加及氨氧化細(xì)菌數(shù)量增加有關(guān)。

目前，大多數(shù)研究聚焦于農(nóng)藥對土壤健康或植物生長的影響，而助劑的存在對除草劑影響根際微生物的研究相對較少，助劑在除草劑影響植物-土壤-根際微生物相互作用中所起的作用并不清楚。在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，部分地區(qū)的紅小豆種植過程中遇到在廠家允許施用的S-ME濃度下仍然對大面積紅小豆生長產(chǎn)生不利影響的事件，前期探索發(fā)現(xiàn)是由于有機(jī)硅助劑的使用增強(qiáng)了S-ME對非靶標(biāo)農(nóng)作物的毒害作用所致[24]，這種毒性作用的增強(qiáng)作用可能與根際微生物的功能和結(jié)構(gòu)相關(guān)。因此，本研究選擇紅小豆（Vigna angularis）作為受試植物，利用16S rRNA高通量測序技術(shù)，分析典型有機(jī)硅助劑十六烷基七硅氧烷及其與S-ME聯(lián)合施用對紅小豆根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性特征的影響，研究有助于理解助劑增強(qiáng)/減弱S-ME對非靶標(biāo)農(nóng)作物的毒理機(jī)制，也為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中除草劑及其助劑合理施用提供支撐。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品

S-ME（960 g·L-1乳油）購自先正達(dá)（蘇州）作物保護(hù)有限公司。紅小豆由德民種子經(jīng)銷處提供（烏蘭浩特）。十六烷基七硅氧烷（C16H48O6Si7，CASno.541-01-5，純度96%）購自麥克林生化科技股份有限公司。

1.2 試驗(yàn)植物與土壤

試驗(yàn)采取土培的方式進(jìn)行，土壤來自內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟烏蘭浩特市（46°06′ 30.564″ N，122°17′58.948″E）。依據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所允許施用的SME和助劑的濃度設(shè)置處理組，即對照組（CK）、0.25%有機(jī)硅助劑（V1）、0.5%有機(jī)硅助劑（V2）、50 mL·hm-2的S-ME單獨(dú)施用（V3）、S-ME聯(lián)合0.25% 有機(jī)硅助劑（V4）、S-ME 聯(lián)合0.5% 有機(jī)硅助劑（V5）6 個處理組，每個處理組3個重復(fù)。用1%的次氯酸鈉溶液對紅小豆種子進(jìn)行消毒處理15 min，隨后用純凈水沖洗3次。將紅小豆種子播種在高13.5 cm、直徑23 cm的圓形花盆中，播種深度5 cm，每盆播種12顆種子，在（26±4）℃的溫室、14 h光照/10 h暗光周期的培養(yǎng)室進(jìn)行培養(yǎng)。播種后1 d在土壤表面噴灑S-ME除草劑及有機(jī)硅助劑。

在實(shí)際生產(chǎn)中，除草劑的施用時期主要集中在紅小豆的苗前和苗后階段。苗前施用除草劑會直接作用于土壤，對根際微生物群落產(chǎn)生較大影響；而苗后施用的除草劑主要通過葉片吸收，對根際微生物的影響相對較小[25]。本研究中，紅小豆種植10 d后取樣分析根際微生物群落，相當(dāng)于苗期階段。這一時期的根際微生物群落對外界干擾最為敏感，因此研究結(jié)果能夠較好地反映除草劑及助劑對紅小豆根際微生物的早期影響。紅小豆種植10 d后，將紅小豆幼苗小心地連根拔起，然后搖動根部，去除其中的大塊土壤，根系表面的殘土（厚1～3 mm）被認(rèn)為是根際土壤[11]，每組根際土壤樣本設(shè)3次生物學(xué)重復(fù)。將根際土壤和根系一起轉(zhuǎn)移到含20 mL 無菌磷酸鹽緩沖溶液（PBS，pH 7.4）的50 mL離心管中，使用軌道振動篩于180 r·min-1振蕩20 min，隨后以4 500 r·min-1離心20 min收集根際土壤。所有根際土壤樣品在-80 ℃保存至檢測分析。

1.3 根際土壤微生物群落16S rRNA測序

16S rRNA 測序主要流程包括樣品準(zhǔn)備、DNA 提取與檢測、PCR擴(kuò)增、產(chǎn)物純化、文庫制備及庫檢以及NovaSeq 測序6 個步驟。根際土壤樣品經(jīng)預(yù)處理之后，通過土壤基因組DNA提取試劑盒（TIANamp SoilDNA Kit）提取土壤樣品中的根際微生物基因組DNA約0.5 g。濃度測定后置于-80 ℃冷凍儲存。針對V3～V4 可變區(qū)特異性引物341F（CCTAYGGGRBG?CASCAG）和806R（GGACTACNNGGGTATCTAAT）擴(kuò)增16S rRNA基因，并在Illumina NovaSeq測序平臺上進(jìn)行高通量測序。將NovaSeq 測序得到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、過濾，排除干擾數(shù)據(jù)，得到有效數(shù)據(jù)。將相似度≥97% 的序列分配給一個OTU，并將OTU 聚類，計(jì)算Chao1指數(shù)、Observed species指數(shù)評估菌群豐富度，用香農(nóng)指數(shù)（Shannon）、辛普森指數(shù)（Simpson）表征菌群Alpha多樣性。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用R軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。通過計(jì)算每個樣本的OTU 數(shù)量來評估根際微生物群落的豐富度，基于R軟件繪制熱圖。利用QIIME2軟件計(jì)算Alpha多樣性指數(shù)，包括Observed species、Chao1、Shannon和Simpson指數(shù)。使用Perl軟件繪制花瓣圖、進(jìn)化樹、柱形圖及微生物屬級別的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系圖，分析不同微生物之間的共生關(guān)系。

2 結(jié)果與討論

2.1 紅小豆根際土壤細(xì)菌多樣性分析

不同處理下紅小豆根際土壤及對照樣品的微生物Alpha多樣性指數(shù)如表1所示。所有樣品的覆蓋度（Coverage）均超過99%，表明當(dāng)前樣本測序深度足夠，數(shù)據(jù)能夠真實(shí)有效地反映樣品的微生物多樣性。整體而言，有機(jī)硅助劑與S-ME的濃度及配施方式在一定程度上影響了紅小豆根際微生物的Alpha 多樣性。V1處理組的Observed species（2 330）和Chao1指數(shù)（2 347）較其他處理組低31%～34%，表明低濃度助劑對微生物群落豐度具有顯著的抑制作用。而V2處理組的Observed species（3 380）和Chao1指數(shù)（3 433）高于V1，說明高濃度助劑促進(jìn)了某些微生物的增殖。Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)則進(jìn)一步反映了群落的物種多樣性和均勻性，各處理組Shannon 指數(shù)與Simpson指數(shù)變化趨勢一致，V5處理組的Shannon指數(shù)最高（10.78），Simpson指數(shù)接近1，說明該處理組的群落均勻性和多樣性達(dá)到最高水平，表明高濃度有機(jī)硅助劑配施對根際微生物群落具有更強(qiáng)的選擇性作用，從而影響群落的多樣性。相較之下，V1處理組的Shannon指數(shù)最低（8.00），表明低濃度助劑對微生物群落的均勻性產(chǎn)生了負(fù)面影響。此外，V3處理組的微生物多樣性指標(biāo)與CK組接近，而S-ME與助劑聯(lián)合施用（V4、V5）緩解了單獨(dú)施用S-ME導(dǎo)致的微生物多樣性下降問題，特別是V5處理的多樣性指標(biāo)均接近甚至略高于CK組。分析表明，高濃度助劑具有調(diào)節(jié)微生物群落結(jié)構(gòu)、促進(jìn)多樣性恢復(fù)的作用，這可能是通過優(yōu)化根際環(huán)境或增強(qiáng)生物降解功能實(shí)現(xiàn)的[26]。

基于Weighted Unifrac 距離和Unweighted Unifrac距離進(jìn)行PCoA分析，并選取貢獻(xiàn)率最大的主坐標(biāo)組合。在Weighted Unifrac 距離的PCoA 圖（圖1a）中，PC1 解釋了76.00% 的方差，PC2 解釋了7.83% 的方差。在Unweighted Unifrac距離的PCoA圖（圖1b）中，PC1 解釋了16.48% 的方差，PC2 解釋了8.55% 的方差。比較而言，基于Weighted Unifrac距離的PCoA分析樣本組間的分離更明顯，特別是CK組與其他處理組之間的分離。這可能因?yàn)閁nweighted Unifrac忽略了OTUs的豐度信息，導(dǎo)致其微生物組成差異未能被充分揭示。V1、V2和V3組樣本在兩種分析方法中都有一定的重疊，但基于Weighted Unifrac距離的PCoA分析中V2和V3組的樣本與CK組的分離更為清晰。因此，就Weighted Unifrac距離算法而言，各個處理下種群間微生物群落相似性產(chǎn)生了差異，說明群落朝向不同的方向進(jìn)行演替。對于較低解釋度的UnweightedUnifrac 距離算法而言，僅是添加助劑的處理與其他處理有較高的分離度，這強(qiáng)調(diào)了助劑對于微生物選擇的潛在重要性。

基于組間土壤微生物群落結(jié)構(gòu)差異，利用中性群落模型（圖1c），結(jié)果表明確定過程比隨機(jī)過程更明顯地影響土壤細(xì)菌群落組裝，CK、V1、V2、V3、V4 和V5 組的解釋率（Rsqr）分別為0.346、0.359、0.252、0.358、0.382 和0.373。0.5% 有機(jī)硅助劑加入增加了細(xì)菌群落確定過程的相對貢獻(xiàn)，這主要是因?yàn)楦邼舛鹊闹鷦└淖兞宋⑸飳υ緱⒌氐南埠茫刮⑸锶郝湎虼_定性方向發(fā)展。此外，根據(jù)Nm值可知，V2處理組中細(xì)菌物種遷移率高于其他處理，受環(huán)境限制較小。這說明0.5%有機(jī)硅助劑能夠增強(qiáng)紅小豆根際微生物群落演替，是其對細(xì)菌特異性選擇的結(jié)果。值得注意的是，S-ME聯(lián)合有機(jī)硅助劑施用后細(xì)菌群落的隨機(jī)性過程增加，這可能是聯(lián)合施用緩解了助劑對微生物存在定向篩選作用造成的壓力。反之也說明，有機(jī)硅助劑緩解了細(xì)菌群落組裝過程中的擴(kuò)散限制，對于恢復(fù)土壤微生物群落的多樣性具有重要意義。

為進(jìn)一步研究屬水平物種的系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系，識別不同處理組中對微生物群落差異性貢獻(xiàn)最大的特定物種或分類單元，通過多序列對比得到top100屬的代表序列，圖2展示了各處理組中顯著差異的微生物種群。通過韋恩圖（圖2a）發(fā)現(xiàn)處理組間共有的微生物種類為1 613種。然而，在S-ME單獨(dú)施用或與助劑配施處理中紅小豆根際特定微生物屬表現(xiàn)出顯著性差異。V1處理組特有微生物種類最少（1 742種），說明有機(jī)硅助劑對根際微生物的影響有明顯的濃度依賴性。當(dāng)有機(jī)硅助劑的濃度從0.25%（V1）增加至0.5%（V2）時，特有微生物的種類數(shù)量增加至2 664種，在各處理組中種類最多，意味著高濃度有機(jī)硅助劑施用條件對特定微生物具有較強(qiáng)的選擇性[27]。此外，V3處理組特有微生物的種類數(shù)量為2 308種，而當(dāng)S-ME與助劑聯(lián)合施用時，助劑濃度越高特有微生物種類也越多，這表明有機(jī)硅助劑通過誘導(dǎo)特定的微生物生長進(jìn)而改變微生物群落，且具有濃度效應(yīng)。

2.2 紅小豆根際細(xì)菌群落組成分析

從圖3a中可以直觀地觀察到不同處理組間的門水平物種組成差異及豐度變化趨勢。主要優(yōu)勢菌門包括變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidota）、厚壁菌門（Firmicutes）和放線菌門（Actinobacteriota），它們在各組中占比較高，但其相對豐度因處理?xiàng)l件的不同而發(fā)生顯著變化。在門水平上（圖3b），助劑單獨(dú)施用（V1、V2）顯著促進(jìn)了擬桿菌門和變形菌門的豐度，其中V1 處理組中擬桿菌門豐度較CK 組提升57%，而厚壁菌門的降低幅度達(dá)45%，表明低濃度有機(jī)硅助劑對厚壁菌門可能具有抑制作用。S-ME 單獨(dú)施用對脫硫菌門（Desulfobacterota）、放線菌門和硝化螺旋菌門（Nitrospirota）具有較強(qiáng)的抑制作用，可能是由于S-ME對該類群的抗性微生物或耐藥性較低的微生物產(chǎn)生了選擇壓力，從而導(dǎo)致豐度下降。然而，V3處理可能對革蘭氏菌門（Armatimonadota）和脫茵球菌門（Deinococcota）顯示出較強(qiáng)的促進(jìn)作用，如革蘭氏菌門的豐度由CK組的3.2%上升至5.9%。然而聯(lián)合施用助劑（V4、V5）緩解了這種負(fù)面影響，特別是在V5處理組，脫茵球菌門的豐度增加至6.7%，即高濃度助劑施用促進(jìn)了該微生物的增長。

變形菌門和放線菌門是重要的植物相關(guān)細(xì)菌，有助于抵抗生物和非生物脅迫[28]。變形菌門的豐度在V1處理組達(dá)到64.8%，而在V5處理組中為67.2%，這是因?yàn)樽冃尉T是一個多樣性極高的細(xì)菌門，包含許多具有廣泛代謝能力的種類。這些細(xì)菌能夠適應(yīng)多種環(huán)境條件，例如不同的pH值、氧化還原狀態(tài)以及營養(yǎng)狀況，從而在各組中保持最大占比[29]。擬桿菌門則表現(xiàn)出顯著的濃度依賴性趨勢，豐度隨助劑濃度的增加而顯著提高，表明該菌門可能對有機(jī)硅助劑具有適應(yīng)性或偏好。放線菌門的豐度變化則與助劑和SME配施的濃度密切相關(guān)，其豐度在V3下降幅度達(dá)到44%，在助劑聯(lián)合施用組（V4、V5），豐度恢復(fù)至CK組的80%、91%，接近正常水平。這表明助劑與S-ME聯(lián)合施用可以緩解S-ME對放線菌門的抑制作用，且該作用呈現(xiàn)濃度依賴性趨勢。該菌門在土壤有機(jī)質(zhì)降解和病原菌抑制中具有重要作用，其豐度的降低可能導(dǎo)致土壤功能受損。有研究表明放線菌能夠產(chǎn)生一系列酶，在有效分解植物殘留中難降解的有機(jī)物質(zhì)如纖維素、木質(zhì)素的同時，將有機(jī)污染物降解為無害物質(zhì)[30-31]。這表明有機(jī)硅助劑和S-ME配施可能促進(jìn)了土壤中營養(yǎng)循環(huán)和有機(jī)物分解過程中多樣化的微生物群落的形成，用以加速土壤中的污染物分解，對農(nóng)作物的生長有重要意義。

在屬水平上（圖3c），各處理組中均觀察到酸桿菌（RB41）、鞘氨醇單胞菌（Sphingomonas）、蓋氏菌（Gaiella）、芽殖球菌（Blastococcus）、土壤紅桿菌（Soll?rubrobacter）的存在，這些菌可以提高土壤肥力，促進(jìn)植物生長，同時維護(hù)土壤健康和生態(tài)平衡。其中，酸桿菌是有機(jī)硅助劑及其與S-ME配施過程中的優(yōu)勢菌，可以較高效率地利用土壤中的碳和氮[32]，對土壤碳循環(huán)和植物養(yǎng)分供應(yīng)具有重要作用。此外，在V1處理組土壤中明顯出現(xiàn)了新的寡養(yǎng)單胞菌屬（Steno?trophomomas）、戴爾福特菌屬（Delftia）、無色桿菌屬（Achromobacter）、伯克霍爾德氏相關(guān)菌屬（Burkholde?ria - Caballeronia - Paraburkholderia）及黃金桿菌屬（Chryseobacterium）。這些菌可能積極參與了有機(jī)硅助劑的代謝和分解，維持了土壤正常肥力，提高了植物對環(huán)境脅迫的抵抗力。據(jù)報(bào)道，寡養(yǎng)單胞菌屬和戴爾福特菌屬參與有機(jī)物的降解或轉(zhuǎn)化，并能產(chǎn)生植物促生物質(zhì)，有效抑制病原菌活性，提升作物品質(zhì)和產(chǎn)量；無色桿菌屬與有機(jī)物的分解和營養(yǎng)循環(huán)有關(guān)，對植物病原體有抑制作用；伯克霍爾德氏相關(guān)菌屬與緩解作物連作障礙的自毒效應(yīng)密切相關(guān)；黃金桿菌屬可提高植物對環(huán)境脅迫的抵抗力[33]。施用0.25%有機(jī)硅助劑可能通過改變土壤環(huán)境、提升微生物功能、優(yōu)化微生物群落結(jié)構(gòu)、激活土壤肥力的方式，促進(jìn)了這些菌屬的生長和繁殖。然而，助劑濃度升高（V2）可能會對微生物產(chǎn)生不利影響，最終導(dǎo)致寡養(yǎng)單胞菌屬等微生物數(shù)量減少或消失。優(yōu)勢菌種的豐度隨施用的有機(jī)硅助劑及其與S-ME配施的濃度變化而變化，且物種差異與是否配施助劑密切相關(guān)。

對重要門水平下的屬豐度進(jìn)行分析，如圖3d所示。V1處理組中富集的重要細(xì)菌屬大多屬于變形菌門，如寡養(yǎng)單胞菌屬、戴爾福特菌屬、無色桿菌屬，這說明變形菌門在V1處理組中占據(jù)重要的生態(tài)位，是發(fā)揮作用的功能菌群。變形菌門的重要性也可以從下文的微生物網(wǎng)絡(luò)關(guān)系得到證實(shí)。因此，低濃度助劑對于放大變形菌門的作用，即氮素代謝、有機(jī)物分解和土壤修復(fù)等重要的生物功能具有顯著的促進(jìn)作用[34]。然而，放線菌門下的優(yōu)勢屬蓋氏菌在V1中含量下降（較CK降低34%），在其他處理中含量提升（較CK 提升7%～15%）。有報(bào)道稱其可以作為新污染物的潛在標(biāo)志物[34]，這可能是因?yàn)橛袡C(jī)硅助劑具有一定的吸附性，低濃度的施加能夠去除土壤中的污染物，而高濃度的助劑和除草劑則成為土壤的外來污染源，促進(jìn)了降解菌蓋氏菌的富集。在擬桿菌門下，優(yōu)勢屬黃金桿菌屬在V1處理組中的顯著富集說明其可能是V1處理組中的關(guān)鍵核心功能菌。此外，優(yōu)勢屬土地桿菌屬（Pedobacter）能夠促進(jìn)固氮作用和植物生長[35]，在V1處理組中得到顯著富集，這說明0.25%有機(jī)硅助劑有利于紅小豆根際的發(fā)育。在厚壁菌門下，優(yōu)勢屬芽孢桿菌（Bacillus）在添加S-ME組中得到富集（較CK提升68%～100%），這是因?yàn)槌輨┠軌蜃鳛檠挎邨U菌的特異性碳源促進(jìn)其生命活動[36]。由此可見，助劑和S-ME兩種外源物質(zhì)對細(xì)菌群落的誘導(dǎo)方向和選擇性富集是不同的。因此，二者的聯(lián)合施用對于土壤微生物群落的生態(tài)平衡和穩(wěn)定具有重要影響。

土壤微生物多樣性的提升與土壤健康以及作物生長有著密切聯(lián)系[37]，有機(jī)硅助劑和S-ME單獨(dú)施用均降低了微生物群落的豐富度，其中助劑單獨(dú)施用的抑制作用更明顯。然而，兩者聯(lián)合施用后，根際微生物群落的豐富度反而有所緩解，這可能是因?yàn)槲⑸锶郝涞拇x功能發(fā)生了補(bǔ)償性適應(yīng)。同時，高濃度（0.5%）有機(jī)硅助劑對特定微生物類群的選擇性作用更強(qiáng)，促進(jìn)了一些具有解毒或抗逆功能的微生物的增殖。例如，有益微生物如酸桿菌、芽殖球菌屬及土壤紅桿菌屬等。助劑添加對特定有益微生物群體的促進(jìn)，對于緩解S-ME對紅小豆根際環(huán)境的毒性效應(yīng)具有重要意義。已有研究表明，助劑能夠通過增加SME的滲透性和吸收效率直接加劇紅小豆植株的生理損傷，加重S-ME對紅小豆幼苗生長、抗氧化系統(tǒng)、葉綠素等產(chǎn)生的不良影響[38-39]。而富集微生物能通過其代謝功能（如抗氧化、降解污染物）調(diào)節(jié)土壤環(huán)境或解毒代謝，對毒性環(huán)境產(chǎn)生了保護(hù)效應(yīng)，間接緩解了S-ME 產(chǎn)生的毒性效應(yīng)。聯(lián)合施用在根際微生態(tài)與植物生理之間存在的復(fù)雜的互作關(guān)系也反映了生態(tài)系統(tǒng)層面對毒性脅迫的補(bǔ)償性適應(yīng)，而非直接表明對植株毒性作用的減弱。

2.3 紅小豆根際土壤微生物群落共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析

通過共生網(wǎng)絡(luò)分析來研究微生物群落中細(xì)菌OTUs之間的相互作用，結(jié)果見圖4。與CK相比，V1、V3和V5處理的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系邊數(shù)分別增加34%、10%和9%，微生物之間的協(xié)作互營得到加強(qiáng)。在V1 和V3處理中環(huán)境不友好的外源性物質(zhì)的刺激短時間可能會造成微生物群落的破壞，但隨著紅小豆種植時間的延長，群落會做出相關(guān)的反應(yīng)，即被選擇生存。圖密度最高和模塊化程度最低的是V1 處理（0.299 和0.423），但V2處理逐漸回歸于正常（0.196和0.698）。這個結(jié)果可能是由于助劑對土壤微生物的選擇性定向刺激作用的影響，從而使特定微生物的相對豐度增加。但隨著助劑濃度的增加，這種方向性篩選作用減弱，使得微生物群落朝著更為均衡的方向發(fā)展。除此以外，V3處理的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系表現(xiàn)出較高的相關(guān)性（圖密度0.188，模塊化0.734），這可能是S-ME對微生物的毒害導(dǎo)致土壤大多為芽孢桿菌等的特異性功能微生物。這種情況在添加助劑的V4和V5處理中得到改善，原因可能是由于助劑對生物多樣性的恢復(fù)。

通過隨機(jī)和特定移除節(jié)點(diǎn)改變微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自然連通性振幅，以測試網(wǎng)絡(luò)的抗干擾能力（圖4c）。V1處理組的特定去除魯棒性最弱，這意味著微生物群落種間關(guān)系不穩(wěn)定，但微生物的種間協(xié)作能力相應(yīng)上升，原因是功能微生物的選擇性富集導(dǎo)致的土壤特定功能的突出，例如變形菌門等。聯(lián)合施用后（V4）魯棒性提高，說明微生物群落結(jié)構(gòu)向著均衡方向發(fā)展，雖然特定功能會減弱，但這對于提高土壤的自我調(diào)節(jié)能力以及紅小豆的根際保護(hù)能力具有重要意義。除此以外，V2處理對微生物群落的多樣性促進(jìn)，使得網(wǎng)絡(luò)關(guān)系展現(xiàn)出較強(qiáng)的魯棒性。以至于在V5處理中也展現(xiàn)出較好的連通性，這再次強(qiáng)調(diào)了高濃度助劑對于生態(tài)平衡恢復(fù)的重要性。

紅小豆根際土壤微生物群落之間的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可以反映出不同微生物群體之間的協(xié)同效應(yīng)或競爭壓力。圖5a分析結(jié)果表明，變形菌門和放線菌門處于核心位置，是承擔(dān)土壤生態(tài)功能的關(guān)鍵菌，對植物生長有益。并且二者之間表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明其可能在同一生態(tài)位中協(xié)同工作，共同促進(jìn)植物生長。變形菌門通常包括許多有益菌，能夠促進(jìn)植物根際環(huán)境的改善和土壤修復(fù)，從而為其他微生物的生存提供環(huán)境。放線菌門則通常參與有機(jī)物的分解和養(yǎng)分循環(huán)，對于植物緩解有機(jī)硅助劑和S-ME帶來的環(huán)境壓力具有重要意義。在V3處理組中放線菌受到強(qiáng)烈抑制，在聯(lián)用助劑后（V4、V5）豐度恢復(fù)，并且變形菌門的豐度也在助劑的選擇下得到富集。這說明有機(jī)硅助劑能夠促進(jìn)兩個群落之間的協(xié)同作用，改善土壤結(jié)構(gòu)和根際養(yǎng)分循環(huán)。與之類似的情況也出現(xiàn)在酸桿菌屬中（圖5b），助劑也緩解了S-ME對其的反向篩選和敏感性，在根際環(huán)境中助劑可能通過競爭或直接拮抗S-ME來保護(hù)植物免受環(huán)境侵襲。酸桿菌屬是重要的氮代謝和固氮功能菌屬，作為重要的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，代表著土壤的突出性特異功能。與之進(jìn)行協(xié)同合作的是鞘氨醇單胞菌和霍氏菌，他們在生態(tài)系統(tǒng)中共享生存條件，在助劑的添加下明顯富集。這些菌屬可能積極參與了S-ME的代謝和分解，可維持土壤正常肥力，提高植物對環(huán)境脅迫的抵抗力。這一作用對于優(yōu)化紅小豆根際微生物群落、增強(qiáng)作物抗逆性和恢復(fù)土壤健康具有重要意義。

2.4 紅小豆根際土壤微生物群落功能預(yù)測

基于Tax4Fun的功能預(yù)測結(jié)果，不同處理組中紅小豆根際微生物群落的功能呈現(xiàn)出相似的模式，功能分類主要集中在代謝相關(guān)功能上。在KEGG功能分類的一級、二級注釋中（圖6），代謝功能（Metabolism）是紅小豆根際微生物的主要功能模塊，其相對豐度在樣本中占比最高，達(dá)54.6%～58.3%，其中碳水化合物（15.3%～17.2%）和氨基酸（12.8%～14.1%）代謝占據(jù)了較高比例，這表明紅小豆根際微生物在維持根際生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量代謝中具有重要作用[12，40]。遺傳信息處理（Genetic information processing）占比10.5%～12.2%，環(huán)境信息處理（Environmental informa?tion processing）占比8.4%～10.1%，與代謝功能相比兩者的相對豐度較低。

與CK組相比，V3處理組代謝功能的豐度降低約8.7%（圖6a），特別是在碳循環(huán)相關(guān)功能模塊中表現(xiàn)尤為突出，其中糖代謝豐度下降1.5%，氨基酸代謝豐度下降1.3%（圖6b），這種下降主要與放線菌門和變形菌門豐度減少有關(guān)，這兩個菌門是參與碳循環(huán)的重要功能菌群，兩者豐度下降導(dǎo)致碳水化合物和氨基酸代謝活性下降，從而削弱了土壤的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化效率[23]。有研究指出，S-ME通過抑制重要功能菌群如放線菌門和變形菌門，削弱了土壤微生物的降解能力，進(jìn)而影響土壤肥力。另外硝化功能顯著下降，其豐度相比CK組下降了18.2%，這可能會影響氮素的有效性，進(jìn)而影響作物生長[19]。有機(jī)硅助劑的加入緩解了S-ME對代謝功能的抑制效應(yīng)，尤其是在V5處理組，代謝功能的豐度恢復(fù)至57.1%（圖6a），碳水化合物代謝豐度恢復(fù)至16.5%，氨基酸代謝豐度恢復(fù)至13.9%，這可能與助劑通過優(yōu)化根際微環(huán)境如提高氧氣供應(yīng)、改善pH 值來促進(jìn)微生物功能恢復(fù)有關(guān)[11]。此外，助劑還可能通過刺激某些抗逆功能菌群如寡養(yǎng)單胞菌屬和芽殖球菌屬的生長，從而增強(qiáng)根際微生物群落的解毒和適應(yīng)能力[28]。

盡管在不同處理組間功能注釋的整體分布模式相似，但S-ME及其助劑的處理對一些功能模塊的相對豐度產(chǎn)生了調(diào)控作用。與CK 組相比，信號傳導(dǎo)（Signal transduction）在助劑處理組（V1、V2）中的相對豐度略高，為0.5%和0.8%，這可能是微生物對環(huán)境脅迫的一種應(yīng)激性代償響應(yīng)。然而，過高濃度的助劑可能對某些菌群產(chǎn)生毒性效應(yīng)，甚至導(dǎo)致群落功能的重新分配和生態(tài)失衡[35]。進(jìn)一步分析顯示，糖代謝和氨基酸代謝的活性變化與葡萄糖代謝和纖維素分解途徑的豐度提升相關(guān)，與CK組相比糖代謝和氨基酸代謝功能的相對豐度分別增加18.2%和14.7%。同時，多酚降解途徑的增強(qiáng)可能是因?yàn)樘峁╊~外的碳源促進(jìn)了這些功能模塊的協(xié)同作用[30]。

3 結(jié)論

（1）精異丙甲草胺（S-ME）單獨(dú)施用導(dǎo)致紅小豆根際微生物多樣性降低，特別是有益微生物的豐度顯著下降，進(jìn)而影響紅小豆的生長發(fā)育和生產(chǎn)力。

（2）當(dāng)S-ME 與有機(jī)硅助劑聯(lián)合施用時，微生物多樣性有所恢復(fù)，特別是高濃度（0.5%）有機(jī)硅助劑與S-ME聯(lián)合施用，表明有機(jī)硅助劑的濃度對微生物多樣性有顯著影響。

（3）低濃度（0.25%）助劑抑制了微生物群落的豐富度，而高濃度助劑則促進(jìn)了微生物多樣性的恢復(fù)，這可能與高濃度助劑優(yōu)化根際環(huán)境或增強(qiáng)生物降解功能有關(guān)，特別是在變形菌門和放線菌門的豐度上，這些微生物群落的變化可能與農(nóng)作物生長和抗病性相關(guān)，其對農(nóng)作物的適應(yīng)性和生產(chǎn)力有重要影響。

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（責(zé)任編輯：潘淑君）