基于豆科植物的轮作对后续高粱根际微生物群落及其与耐旱性相关基因的影响

《Environmental Microbiome》：Effects of legume-based rotation on subsequent sorghum rhizosphere microbial communities and their drought tolerance-related genes

本研究通过shotgun测序分析比较了 cowpea-sorghum（CS）和 maize-sorghum（MS）轮作处理下土壤微生物群落结构及抗旱相关功能基因差异，发现CS轮作显著提升多个有益菌门丰度，并增强涉及抗氧化、渗透调节及离子稳态等基因的表达，为可持续作物轮作提供理论依据。

　　

摘要

引言

将豆科植物纳入谷物作物中对土壤微生物结构、组成、参与氮、碳和磷循环的功能基因、信号通路以及水分传导适应性等方面的影响已经得到了充分研究。然而，对于那些能够提高耐旱性的功能基因，目前还缺乏类似的研究。

研究目标

本研究探讨了在豆科植物-谷物轮作和谷物-谷物轮作条件下，微生物群落结构以及与耐旱性相关的功能基因的变化情况。虽然本研究提供了关于微生物群落和功能基因变化的初步探索性特征描述，但尚未直接证明这些变化对植物生理或产量有实际影响。

研究方法

从豇豆-高粱处理组（CS）或玉米-高粱处理组（MS）收集的土壤样本中提取DNA，并通过鸟枪法测序进行序列分析。

研究结果

非度量多维尺度分析显示，CS处理组中的微生物群落与MS处理组存在显著差异。与MS轮作相比，CS轮作增加了假单胞菌门（Pseudomonadota）、酸杆菌门（Acidobacteriota）、绿弯菌门（Chloroflexota）、 Gemmatimonadota门、广古菌门（Euryarchaeota）和Candidatus Bathyarchaeota门的相对丰度，同时降低了放线菌门（Actinomycetota）、子囊菌门（Ascomycota）和硝化球菌门（Nitrososphaerota）的丰度。此外，在CS轮作中，某些微生物属（如和的丰度增加。STAMP分析表明，在CS轮作中，与海藻糖生物合成、生物膜形成、氧化应激缓解（例如）、应激信号传导（例如）、养分供应（例如）、膜流动性（例如）、休眠（例如）和离子稳态（例如）相关的基因较为丰富。而在MS轮作中，脯氨酸生物合成（）、甘氨酸甜菜碱合成（）、水通道蛋白（）以及结构完整性基因（）较为常见。RDA分析结果显示，作物轮作影响了土壤的物理化学参数，进而影响了两种处理条件下的微生物群落和耐旱性相关基因，可能为作物在干旱条件下的适应性创造了有利环境。

结论

这些研究发现揭示了豇豆种植模式与土壤微生物组及耐旱性功能基因之间的关系，这对后续作物的产量具有重要的指导意义，有助于实现可持续的作物选择。