珍珠粟与褐色芥菜的组合对与马铃薯产量相关的土壤生物群落具有影响

《Plant and Soil》：Combinations of pearl millet and brown mustard influence soil communities associated with potato yield

　　摘要
目的：轮作是调节支持农业生产力的土壤生物群落的关键。例如，芥菜和珍珠粟有潜力在种植经济作物之前改变土壤生物并抑制土壤病害。本文探讨了不同组合的褐芥菜和珍珠粟轮作处理对马铃薯产量、土壤及根系相关生物的影响。

方法：在种植马铃薯的前两年，将褐芥菜（品种Caliente-199）和珍珠粟（品种CFPM-101）以所有可能的成对轮作组合及混合种植方式种植，以评估它们对土壤中根瘤线虫（RLN）和由大丽轮枝菌（Verticillium dahliae）引起的马铃薯根际微生物群的影响。处理方式包括一种密集的两年马铃薯-大麦轮作方式，以及两种多年生减少耕作的处理方式：一种是在大麦中混播红三叶草-提摩西草混合物；另一种是混播多种作物。

结果：前一年种植的珍珠粟地上生物量越大，马铃薯产量显著增加。马铃薯根系相关的微生物群在不同种植处理之间存在差异，这些差异与马铃薯产量和珍珠粟生物量有很强的相关性。在大马铃薯种植后的土壤中，大丽轮枝菌的数量最高，马铃薯病害症状发展也更快。只有在两年多年生处理中，根瘤线虫的数量才增加，这可能是由于存在宿主作物的缘故，从而导致马铃薯产量最低。

结论：在种植马铃薯的前两年种植珍珠粟可以通过限制根瘤线虫的数量和发展马铃薯根系相关的微生物群来显著提高马铃薯产量。

引言：土壤生物多样性和群落组成是土壤生态系统功能的关键组成部分，它们驱动高效的碳和养分循环，促进地上生产力，对维持农业生产至关重要（Brussaard et al. 2007; Thiele-Bruhn et al. 2012; Wagg et al. 2014; Bach et al. 2020）。然而，集约化的农业实践，如频繁耕作和农药的使用，已被证明会导致土壤生物多样性的丧失，并通过抑制有益植物和促进致病微生物而改变群落组成（Tsiafouli et al. 2015; Giller et al. 1997; Idbella and Bonanomi 2023; Singh et al. 2025）。这种对土壤生物多样性的改变会对农业生产产生重大影响，并进一步加剧集约化问题。例如，土传病害会导致作物产量大幅下降，从而增加全球农药使用量（Sharma et al. 2019; Zhang 2018），这对人类健康构成威胁，并对当地生态系统产生负面影响（Edlinger et al. 2022; Ali et al. 2021; Sharma et al. 2019）。虽然所有作物都容易受到土传病害的影响而导致产量损失，但马铃薯（Solanum tuberosum）尤其容易受到多种土传病害的严重危害（Fiers et al. 2012; Adolf et al. 2020; Riedel and Rowe 1985; Orlando et al. 2020; Krikun and Orion 1979），需要采取密集的农药管理或土壤熏蒸措施来控制病害（Orlando et al. 2020; Al-Mughrabi et al. 2016; Collins et al. 2006）。许多这些马铃薯病原体会共同作用，导致马铃薯块茎产量大幅减少，甚至引发早期死亡病害，造成高达50%的产量损失（Powelson and Rowe 1993; Davis et al. 2001）。特别是大丽轮枝菌（Verticillium dahliae）、V. albo-atrum和根瘤线虫（RLN，属Pratylenchus）被认为是导致马铃薯早期死亡的主要致病因子（Riedel and Rowe 1985; Orlando et al. 2020; Krikun and Orion 1979）。因此，与其他农作物相比，马铃薯生产中使用了更多的农药，其中超过70%的农药用于杀菌（Vilvert et al. 2022; Yuen 2021）。鉴于马铃薯是全球五大主要农作物之一，2021年在2390万公顷的耕地上产量达到了4.705亿吨（FAOSTAT 2023），因此寻找生态方法来促进健康且高产的土壤以维持马铃薯生产显得尤为重要。

覆盖作物是一种生态手段，可以改善土壤性质，从而提高后续经济作物的产量（Zhang et al. 2022; Wittwer et al. 2017; Vukicevich et al. 2016; Saleem et al. 2020; Fageria et al. 2005）。这些作物通常在轮作中种植，主要目的是生态增强农业生态系统服务，包括：防止土壤侵蚀的秋季覆盖层、确保经济作物间全年有活根存在、提高土壤肥力、促进有益植物微生物的生长以及抑制作物病害（Daryanto et al. 2018; Ducci et al. 2024）。例如，豆科植物和草类混合物常用于农作物轮作中，通过草类的密集根系结构和豆科植物的固氮作用来增加土壤有机质和氮含量（Blesh 2018; Dhakal and Islam 2018; El Khosht et al. 2025）。此外，轮作中种植的覆盖作物还可以有效减轻农业土壤中的病原体，从而提高后续经济作物的产量（Wen et al. 2017; Peters et al. 2003）。研究表明，芥菜类作物（Brassica spp.）可以通过产生抗真菌化合物烯丙基异硫氰酸酯来有效抑制植物病原真菌（Vandicke et al. 2020; Chen et al. 2022; Priyadharshini et al. 2025; Li et al. 2023）。具体而言，将新鲜的褐芥菜（Brassica juncea）地上植物材料混入土壤是一种有效的生物熏蒸方法，可以减少根腐病菌Rhizoctonia solani（Friberg et al. 2009; Motisi et al. 2009a, b）和小麦全蚀病菌Gaeumannomyces graminis（Motisi et al. 2009a, b）以及南瓜上的Phytophthora枯萎病（Ji et al. 2012）。褐芥菜还被证明可以抑制黄瓜中的镰刀菌枯萎病症状（Jin et al. 2019），但在某些田间研究中对其对土壤中镰刀菌属和大丽轮枝菌的数量影响甚微（Chen et al. 2022; Friberg et al. 2009）。此外，使用芥菜类作物进行土壤生物熏蒸还可以控制植物寄生线虫的数量（Wen et al. 2017; Priyadharshini et al. 2025; Orlando et al. 2020），包括利用褐芥菜控制马铃薯生产中的根瘤线虫（Chen et al. 2022），因为该植物能产生富含硫的葡萄糖苷（Potter et al. 1998; Zasada and Ferris 2004）。研究表明，珍珠粟（Pennisetum glaucum）也可以抑制影响农作物产量的根瘤线虫（Ball-Coelho et al. 2003; Orlando et al. 2020; Sritharan et al. 2006）。最近的一项研究表明，与其他易感作物（如马铃薯和蚕豆）相比，珍珠粟作为覆盖作物时能够有效限制根瘤线虫的数量（Neupane and Yan 2022）。然而，目前关于珍珠粟作为轮作覆盖作物对调节土壤生物群落和影响后续马铃薯作物的效果的研究还很有限。

考虑到不同作物可以针对不同的农业生态系统服务，并对土壤产生不同的影响，从固氮到抑制不同土传病害，将覆盖作物组合成轮作序列或混合种植可能有助于改善土壤条件，从而提高马铃薯产量。一项先前的研究发现，先种植珍珠粟再种植油菜（Brassica napus）可以显著减少马铃薯病害（Larkin et al. 2010），但芥菜和珍珠粟轮作或混合种植的效果尚未得到评估。本文评估了褐芥菜（品种‘Caliente 199’）和珍珠粟（品种‘CFPM-101’在单一种植和混合种植中对土壤中根瘤线虫和大丽轮枝菌的数量、马铃薯根际微生物群、马铃薯早期死亡症状的发展以及后续马铃薯产量的影响。为此，我们评估了10种种植处理方式，在种植马铃薯之前的两年内调节土壤生物群落，包括所有可能的珍珠粟和褐芥菜单一种植组合（处理1-5，表1）以及混合种植（处理6-8，表1），以及该地区常见的两种对照处理方式（处理9和10，表1）。研究目的是评估珍珠粟和褐芥菜组合的轮作遗留效应是否会影响马铃薯产量和相关土壤生物，以及确定相对于行业标准做法最有效的组合。我们预期，如果褐芥菜和珍珠粟的组合在抑制病原体和促进有益生物方面具有互补作用，那么它们的组合应该会比各自的单一种植方式提高产量。作为对照处理，我们预计标准的两年马铃薯-大麦轮作会产生最低的产量，因为第一年种植马铃薯，导致轮作中马铃薯相关病原体（根瘤线虫和大丽轮枝菌）的数量较高。其次，我们认为包含豆科植物的多样化多年生覆盖作物混合物会产生最高的马铃薯产量，因为减少了耕作次数并且有固氮豆科植物的存在。

材料与方法：实验设计
2019年春季在弗雷德里克顿研究与发展中心（45°55′12.8"N, 66°36′45.3"W）建立了试验田。实验田的土壤pH值为5.9，含磷245 ppm、钾82 ppm、总氮0.15%、总碳1.9%和有机质3.4%。实验包括10种种植处理方式，每种处理重复四次，共计40个试验田。试验田宽6米、长10米。种植处理重点在于改变牧草珍珠粟（品种CFPM-101）和褐芥菜（品种Caliente 199）的轮作顺序及其混合种植方式（表1）。具体来说，我们有以下交替种植的组合：（1）每年种植11公斤/公顷的珍珠粟；（2）每年种植14公斤/公顷的褐芥菜；（3）一年种植珍珠粟，下一年种植褐芥菜；（4）一年种植褐芥菜，下一年种植珍珠粟；（5）两年交替种植珍珠粟和褐芥菜，每种作物按单一种植速率的50%种植；（6）在开花期用打谷机割倒褐芥菜，翻入土壤并压实作为生物熏蒸剂，两周后重新种植珍珠粟；（7）四种混合物，包括按单一种植速率的25%种植的褐芥菜和牧草珍珠粟，按10公斤/公顷种植的苏丹草（Sorghum × drummondii var. ‘CFSH-30’），以及按3.75公斤/公顷种植的红三叶草（Trifolium incarnatum var. ‘Common #1’）。这种混合物通过丰富的生物量和根系改善土壤性质（Long 1981; Creamer and Baldwin 2000）。红三叶草的加入是为了通过固氮作用提高土壤有机氮（Quemada and Cabrera 1995; Yang et al. 2019）。我们在研究中纳入了该地区常用的三种农业实践：（8）McCain Fertilizer公司提供的两年生多年生“土壤改良多物种混合物”。该混合物包含12种一年生和多年生草本植物、杂草以及豆科作物，其中珍珠粟的种植密度为1.78公斤/公顷（见表S1）。（9）一种常见的马铃薯轮作方案，以90公斤/公顷的播种量种植大麦（Hordeum vulgare var. ‘Leader’）作为粮食作物，并在同年播种提摩西草（Phleum pratense var. ‘Climax’）和红三叶草（Trifolium pratense var. ‘Single-cut’），前者作为多年生饲草，后者播种量分别为7公斤/公顷和3公斤/公顷，目的是减少土壤耕作的频率。（10）另一种常见的密集型两年生马铃薯-大麦轮作方案，其中Russet Burbank马铃薯的行间距为30.5厘米，株间距为91.5厘米，次年种植大麦的播种量为145公斤/公顷。

作物管理活动均按照行业标准进行（施肥量详见表S2）。除了两年生多年生作物处理（8和9）外，所有地块在播种前均进行春耕和翻地，收获后于秋季使用连枷收割。除大麦和马铃薯外，所有地块均在夏末使用连枷收割；芥菜单作田在开花期使用连枷收割后再进行耕作和碾压作为生物熏蒸剂，两周后以相同密度重新播种褐色芥菜（或珍珠粟，见表1中的处理5）。通过采集0.25平方米面积内距地面几厘米高的植株来量化每个地块中珍珠粟和褐色芥菜的丰度。这一过程在每次收割前的夏季以及初秋进行两次。珍珠粟和褐色芥菜分离后在65摄氏度下干燥72小时并称重。这些作物的净生物量是夏季和秋季测量值的总和。

经过两年的种植处理后，所有地块在2021年都重新种植了Russet Burbank马铃薯，行间距和株间距依旧保持不变，并按照行业标准进行管理。马铃薯种植后用Sencor（Metribuzin）以1.5公斤/公顷的剂量和Dual II（S-metolachlor）以1.75升/公顷的剂量进行除草处理，每周还使用农药（轮作方案中的Manzate（Mancozeb）2.24公斤/公顷、Bravo（Chlorothalonil）2升/公顷和Revus（Mandipropamid）500毫升/公顷）来控制叶部病害。马铃薯块茎从每块地中央的一行中采集，长度为10米，清洗后通过光学分级机测量产量（定义为无缺陷且重量超过28.35克的块茎）。

在土壤样本采集方面，每年春季（五月底）和秋季（九月底）进行采样，以量化立枯丝核菌（RLN）和轮枝菌（Verticillium）的种群密度。从每个地块表层20厘米的土壤中取出九个子样本，使用Dutch Auger工具合并成单个土壤样本。这些土壤样本在加拿大圭尔夫大学的农业与食品实验室中彻底混合后，取50克样本用于计数RLN的数量，采用Baermann pan方法（Townshend 1963）（详见补充方法）。另一个300克的土壤样本被送往弗雷德里克顿的农业证书服务机构（ACS）进行qPCR检测，以量化轮枝菌（V. dahliae和V. albo-atrum）的丰度（详见Nyiraneza等人的2021年研究和Chen等人的2022年研究，详见补充方法）。值得注意的是，qPCR检测中V. dahliae的数量远高于V. albo-atrum，后者仅在少数样本中以极低水平被检测到。因此，分析中仅使用V. dahliae的数据。

在评估马铃薯早衰病的严重程度时，根据Chen等人（2022年）和MacGuidwin与Rouse（1990年）的方法，在2021年8月13日至9月7日期间对马铃薯叶片萎蔫（黄化和坏死）的百分比进行了三次评级。每个地块中间两排各选取15株植物进行评级，以评估病害的发展情况。评级数据用于计算病害进展曲线下面积（AUDPC，参见Shaner和Finney 1977年的方法）。为了估计病害的日进展速度，通过将AUDPC除以从首次评级到最后一次评级的持续时间来计算相对AUDPC（rAUDPC，参见Fry 1978年的方法）。

在植物种植后101天达到成熟期时，从每个地块收集马铃薯根部样本，并在-80摄氏度下保存以用于测序根际微生物群落。这些根部经过冻干和珠磨处理后提取DNA。使用FastDNA? SPIN提取试剂盒（MP biomedicals）提取DNA，然后送往Genome Quebec进行PCR扩增：使用引物对341F和805R扩增V3—V4 16S基因区域以分析细菌群落，使用引物对ITS1F和ITS2扩增ITS2基因区域以分析真菌群落。PCR扩增按照Genome Quebec规定的标准程序进行（Wagg等，2021年）。扩增产物通过MiSeq PE250平台进行测序，序列数据使用DADA2 R包进行处理，生成16S和ITS序列的ASV表格（Callahan等，2016年，详见补充方法）。细菌ASV的分类采用SILVA数据库（v138.1），真菌ASV的分类采用UNITE数据库（v8.3），并通过R包DECIPHER（v2.22）进行分类。叶绿体和线粒体序列以及单独出现的序列被去除。序列计数转换为相对丰度。细菌ASV还使用FAPROTAX数据库（Louca等，2016年）进行功能归类，真菌ASV使用FUNGuild数据库（Nguyen等，2016年）进行归类。16S序列的深度在各处理组间没有显著差异（F9，F2 = 0.82，p = 0.604），ITS序列的深度也没有显著差异（F9，F2 = 1.75，p = 0.125）。数据未进行稀疏处理（McMurdie和Holmes，2014年）。

数据分析在R（v 4.2.1）环境下完成。RLN和V. dahliae的数据进行了对数变换（log(x + 1），并通过混合效应模型评估不同种植处理、季节和年份（作为因素）及其交互作用之间的变异，块和地块身份作为随机因子。2021年收集的马铃薯产量和病害严重程度数据使用线性模型进行分析，块和种植处理作为主要术语。我们使用皮尔逊相关系数（Pearson correlation）评估2021年马铃薯产量与各采样点RLN和V. dahliae丰度之间的关联。

根际相关ASV群落的组成通过置换多变量方差分析（permutational multivariate ANOVA，函数‘adonis2’，R包vegan）进行评估，以Bray–Curtis相似性衡量ASV的相对丰度，块和种植处理作为主要术语。使用基于距离的冗余分析（distance-based redundancy analysis，函数‘capscale，R包vegan）和处理的约束条件来可视化组成的差异。将前两个排序轴（CAP1和CAP2）相加，生成一个表示细菌和真菌群落组成的单一指数。通过包含块的线性模型评估该指数在不同种植处理间的变异。使用皮尔逊相关系数（Pearson correlation）评估细菌和真菌群落组成与马铃薯产量以及个别细菌和真菌功能组之间的关联。然后，我们确定了每个功能组中贡献超过5%总丰度的细菌和真菌属。

为了阐明珍珠粟和褐色芥菜对马铃薯产量及根际微生物群落和产量的影响，使用线性回归分析了珍珠粟和褐色芥菜产生的年净生物量的平方根值。

2021年的马铃薯块茎产量在不同处理组间存在显著差异（F9，F25 = 2.73，p = 0.023，图1a）。第一年包含珍珠粟的处理组产量最高（F1，F25 = 19.37，p < 0.001，图1a）。连续种植珍珠粟-褐色芥菜混合物（PM:M）的年份、珍珠粟单作（PM – PM）以及第二年先种植珍珠粟后种植芥菜（PM – M）的产量也最高。最低产量出现在免耕多年生处理组中，这些处理组中大麦与提摩西草和红三叶草混种（B – T:RC），以及McCain多物种混合物和P – B对照处理组（图1a）。

图1：该图像的替代文本可能是通过人工智能生成的。

图表说明：
- （a）两种种植处理前两年每种处理的平均块茎产量及病害进展曲线下面积（rAUDPC）。
- （b）误差条表示模型估计的标准误差，用于比较不同平均值之间的差异，其中不重叠的误差条可视为显著不同（p < 0.05）。在（a）中，括号内标出了第一年珍珠粟为主要作物的前五种高产处理组。在（b）中，*表示P – B对照处理组与其他处理组之间存在显著差异（p = 0.002）。种植处理组符号见表1。
- （c）马铃薯生产前一年珍珠粟和褐色芥菜生物量与产量之间的关系。阴影区域表示回归趋势的95%置信区间。

病害进展曲线下面积（rAUDPC）表示马铃薯早衰病害的严重程度，在不同处理组间存在显著差异（F9，F25 = 2.32，p = 0.046，图1b）。这主要是由于马铃薯-大麦轮作组（P – B）及其他处理组的水平显著较高（p = 0.002，图1b）。然而，产量与马铃薯早衰病的严重程度无关（皮尔逊相关系数：r = –0.05，p = 0.766）。前一年珍珠粟生物量较多时产量显著增加，但与褐色芥菜的生物量无关联（图1b）。马铃薯早衰病的评级与珍珠粟的生物量无关联（皮尔逊相关系数：r = 0.03，p = 0.840），也与褐色芥菜的生物量无关联（皮尔逊相关系数：r = –0.07，p = 0.660）。

土壤中RLN和V. dahliae的丰度在不同年份和季节间存在显著差异，以及年度间的季节交互作用（RLN：F2，F2 = 3.54，p = 0.031；V. dahliae：F2，F2 = 16.99，p < 0.001，表S3）。RLN和V. dahliae在秋季比春季更丰富，在最后一年尤为明显（图2）。RLN在不同种植处理组间的丰度也随年份变化（年份与处理组交互作用：F18，F1 = 1.73，p = 0.039），特别是在B – T:RC和McCain混合物处理组中逐年增加，并在2021年的P – B处理组中达到较高水平（图1ab）。V. dahliae的丰度在不同种植处理组间也存在显著差异（F9，F2 = 2.42，p = 0.039，表S3），其中在P – B处理组中最高（图2cd）。

图表说明：
- （a）每年春季和秋季的平均根系病害线虫（RLN）丰度。
- （b）每种种植处理下每年春季（c）和秋季（d）土壤中V. dahliae DNA的qPCR定量结果。误差条表示模型估计的标准误差，用于比较不同平均值之间的差异，其中不重叠的误差条可视为显著不同（p < 0.05）。所有处理组在第3年都种植了马铃薯（实线条）。种植处理组符号见表1。
- 2020年秋季和2021年春季的块茎产量与2020年秋季的RLN水平显著负相关，这表明RLN导致了产量损失。2019年秋季和2021年春季的V. dahliae丰度与马铃薯产量有轻微负相关性（图3a）。马铃薯早衰病进展的严重程度（rAUDPC）与RLN的丰度无关，仅与2021年春季的V. dahliae丰度显著相关（图3b）。这些结果表明，在第一年种植马铃薯的P – B处理组中，马铃薯早衰病症状的严重程度更高，这与土壤中V. dahliae的丰富度较高有关。

图表说明：
- （a）2021年种植的马铃薯产量与（b）每年春季和秋季RLN及V. dahliae丰度与病害进展曲线下面积（rAUDPC）之间的相关性。误差条表示与0（虚线）差异的95%置信区间。
与马铃薯根系相关的微生物群落组成：与马铃薯根系相关的细菌和真菌ASVs（宏基因组测序文库）的组成在不同种植处理之间有显著差异（PERMNOVA分析结果：细菌见图4a，F9，37 = 1.27，p = 0.003；真菌见图4b，F9，38 = 1.36，p = 0.046）。前两个排序轴上的综合变异解释了马铃薯根系相关微生物群落组成的大部分变化，在细菌群落（图5c）和真菌群落（图4d）中，不同种植处理之间的差异都非常明显。

**图4**
该图像的替代文本可能是通过AI生成的。
**完整尺寸图像**
**马铃薯根系相关细菌（a）和真菌（b）群落的约束排序。单个点代表样本，椭圆表示每个种植处理中心点的标准误差。前两个轴得分之和（CAP1 + CAP2）提供了一个群落组成的指数，以更好地说明不同处理之间的组成差异：较负的得分表示处理位于排序图的左下象限，较正的得分表示处理位于右上象限。点代表细菌（c）和真菌（d）的平均组成得分。误差条是模型估计的标准误差，用于比较不同均值，其中不重叠的误差条可视为显著不同（p < 0.05）。散点图显示了马铃薯产量与细菌（e）和真菌（f）群落组成之间的关联。

**图5**
该图像的替代文本可能是通过AI生成的。
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马铃薯根系相关细菌（a, b）和真菌（c, d）群落组成与上年种植的珍珠粟（a, c）和棕色芥菜（b, d）生物量之间的关系。阴影区域表示回归趋势的95%置信带。

**讨论**
我们的研究表明，在种植马铃薯的两年前，使用不同组合的饲料用珍珠粟（品种‘CFPM-101’）与棕色芥菜（品种‘Caliente 199’）可以提高马铃薯产量。然而，在最高产量的处理中确实存在珍珠粟，这表明各种组合对产量的有益效果是由于珍珠粟的存在，而不是两者共同作用的结果。先前的研究表明，饲料用珍珠粟可以抑制导致马铃薯早衰的病原菌（Orlando等人，2020；Riedel和Rowe，1985），可能是因为珍珠粟对这类病原菌的宿主适应性较差（Neupane和Yan，2022）。不过在本研究中，不同处理之间的马铃薯早衰症状严重程度相似，并且与产量降低或病原菌丰度没有直接关联，尽管在传统的P-B轮作系统中疾病进展更快。相反，我们发现饲料用珍珠粟对产量的有益影响主要体现在其对后续马铃薯根系相关微生物组的影响上。进一步的研究表明，与更高马铃薯产量相关的根系相关微生物群落变化与珍珠粟的地上部分生产力有关。这表明，在种植马铃薯前向土壤中添加更多珍珠粟生物量可以通过调节后续马铃薯作物的根系相关微生物组来促进产量。棕色芥菜可能在其中起到了一定作用，因为在连续两年种植棕色芥菜后再种植珍珠粟的处理中获得了最高产量（PM:M），并且棕色芥菜已被成功用作生物熏蒸剂来抑制真菌病原菌（Wen等人，2017；Orlando等人，2020；Waisen等人，2020；Ji等人，2024）。

珍珠粟在种植马铃薯前产生的生物量对根系相关细菌群落组成有显著影响（图5a），而细菌群落组成与棕色芥菜产生的生物量之间没有关联（图5b）。与马铃薯根系相关的真菌组成也与前一年珍珠粟产生的生物量显著相关（图5c），与棕色芥菜产生的生物量的关联较弱（图5d）。

根系相关细菌群落组成（CAP1 + CAP2）和马铃薯产量总体上与多个细菌功能群落呈负相关（表2）。细菌群落组成与能够进行纤维素分解、几丁质分解、捕食性或外寄生、暗氢氧化、反硝化作用及光异养代谢的细菌群体呈强负相关（表2）。其中，光异养作用与马铃薯产量呈类似的显著负相关，反硝化和几丁质分解作用的相关性则不显著（表2）。其他与产量显著相关的细菌功能群落包括硝酸盐还原、氮呼吸、芳香化合物降解和厌氧化能异养作用（表2）。参与纤维素分解、几丁质分解、捕食性或外寄生以及反硝化作用的细菌群落主要由Acidothermus、Lysobacter、Haliangium和Rhodoplanes这几个属组成（图6a）。Rhodoplanes同时也是光异养作用群落中最为丰富的属，此外还包括Rhodomicrobium、Rhodopseudomonas和Rhodoblastus。Rhodoplanes与Stenotrophomonas一起在硝酸盐还原和氮呼吸群落中最为丰富（图6a）。

在表2中，列出了细菌和真菌功能群落的相对丰度与群落组成（CAP）及马铃薯产量之间的相关性。

**图6**
该图像的替代文本可能是通过AI生成的。
**完整尺寸图像**
图中显示了与微生物群落组成变化及马铃薯产量相关的不同细菌（a）和真菌（b）功能群落中最丰富的属。数值表示构成每个功能群的属的比例丰度。

真菌群落组成的变化与植物病原菌和共生菌呈强负相关（表2）。这两种真菌群落的相对丰度主要由Colletotrichum属组成，分别占植物病原菌群落的66%和共生菌群落的55%（图6b）。然而，这两个群落都与马铃薯产量无关（表2）。相反，腐生真菌，特别是凋落物和土壤中的腐生菌，与真菌群落的变化及马铃薯产量呈显著正相关（表2）。Mortierella和Podospora是这些真菌群落中最丰富的属（图6b）。Fusarium和Acremonium虽然也增加了植物病原菌的丰度，但它们也被归类为腐生菌（图6a）。

**结论**
我们的研究表明，在种植马铃薯的前两年中使用饲料用珍珠粟（品种‘CFPM-101’与棕色芥菜（品种‘Caliente 199’）的不同组合可以提升马铃薯产量。然而，最高产量的处理中确实含有珍珠粟，这表明各种组合对产量的有益效果主要是由于珍珠粟的存在，而非两者共同作用的结果。研究表明，饲料用珍珠粟可以抑制导致马铃薯早衰的病原菌（Orlando等人，2020；Riedel和Rowe，1985），可能是因为它对这类病原菌的宿主适应性较差（Neupane和Yan，2022）。不过，在本研究中，不同处理之间的马铃薯早衰症状严重程度相似，并未直接体现在产量降低或病原菌丰度上。相反，我们发现饲料用珍珠粟对产量的有益影响主要源于其对后续马铃薯根系相关微生物组的影响。此外，与更高马铃薯产量相关的根系相关微生物群落变化与珍珠粟的地上部分生产力有关。这表明，在种植马铃薯前向土壤中添加更多珍珠粟生物量可以通过调整后续马铃薯作物的根系相关微生物组来促进产量。棕色芥菜也可能起到了一定作用，因为在连续两年种植棕色芥菜后种植珍珠粟的处理中获得了最高产量（PM:M）；此外，它还被成功用作生物熏蒸剂来抑制真菌病原菌并限制病原菌的数量（Wen等人，2017；Orlando等人，2020；Waisen等人，2020；Ji等人，2024）。然而，其与马铃薯产量的相关性较弱，且对根系相关微生物群落的影响也较小。

**结论（续）**
已知棕色芥菜和珍珠粟都会显著改变土壤和根际微生物群组的组成，这些影响可能因物种、品种和基因型而异（Ndour等人，2021；Friberg等人，2009；Wen等人，2017；Jin等人，2019）。本研究显示，棕色芥菜（品种‘Caliente 199’）和珍珠粟（品种‘CFPM-101’的存在及其丰度会影响后续马铃薯作物的根系相关微生物组组成。细菌和真菌组成的显著变化（CAP1 + CAP2得分）与马铃薯产量之间的相关性尤其明显。这表明种植历史与马铃薯根系相关细菌之间存在密切联系。支持更高产量的处理中，第一年都种植了珍珠粟。鉴于本研究中地上部分生物量在秋季被收割并在春季通过耕作的方式融入土壤，可以认为珍珠粟地上部分生物量的加入及其随时间的分解是这些结果的主要驱动因素。与群落组成变化最相关的细菌群落主要参与纤维素分解和几丁质分解，分别由Acidothermus和Lysobacter属组成。Acidothermus拥有多个参与植物生物质降解的基因（Berry等人，2014）。此外，过去的研究表明，珍珠粟产生的更多地上部分生物量可以促进病害抑制土壤中Lysobacter的丰度（Mason等人，2023），但似乎与抑制Rhizoctonia solani（一种常见的马铃薯真菌病原菌）无关（Gómez Expósito等人，2015）。尽管这些细菌群落与不同处理间的细菌群落变化密切相关，但它们与产量无关。

与群落组成和产量变化都相关的细菌属包括Rhodoplanes、Rhodomicrobium、Rhodopseudomonas和Rhodoblastus，它们都属于Hyphomicrobiales目。这些细菌可能通过利用土壤氮元素影响马铃薯产量。例如，Rhodopseudomonas和Rhodoplanes与反硝化作用有关（Hiraishi和Ueda，1994；Shapleigh，2013），而Rhodomicrobium可以利用尿素作为氮源（Ramana等人，2013），这在我们的研究中也被用作氮肥。这些光异养细菌与马铃薯产量之间的负相关可能反映了它们通过反硝化作用导致土壤氮损失从而降低产量的作用（Munch和Velthof，2007）。在我们的两年免耕处理（B-T:RC和McCain）中，产量最低，且观察到免耕栽培系统可以通过增强反硝化微生物的活性和丰度来增加土壤反硝化作用（Wang和Zou，2020），进一步表明产量降低与微生物驱动的反硝化作用有关。

然而，值得注意的是，与较低产量相关的最丰富光异养属Rhodoplanes在感染马铃薯早疫病的根际土壤中较为常见（Wang等人，2023；Castillo等人，2017），并且与导致马铃薯根结病的线虫（Meloidogyne chitwoodi）有关（Wang等人，2023；Castillo等人，2017）。此外，Rhodoplanes在多种环境下都有广泛的地理分布（Jimenez，2025），并被发现是微生物网络中的关键类群（Fan等人，2021）。这些研究表明，这些光异养细菌的功能及其生态相互作用在导致马铃薯产量降低方面具有多样性，需要进一步阐明。

**结论（续）**
在本研究中，种植处理对马铃薯根系真菌群的影响比对细菌群的影响较弱，这可能是由于马铃薯生产系统中通常会大量使用杀菌剂（见方法部分）。然而，珍珠粟在种植前产生的生物量仍与马铃薯根系相关真菌群组成显著相关，进而影响产量。棕色芥菜的地上部分生物量也与真菌群落的变化显著相关，这反映了其众所周知的抗真菌特性，因为它能产生烯丙基异硫氰酸盐（Vandicke等人，2020；Sharma等人，2018；Jin等人，2019；Friberg等人，2009；Fayzalla等人，2009；Angus等人，1994；Abdallah等人，2020）。然而，与饲用珍珠粟的效果相比，褐芥菜对真菌群落组成的影响较小。根系相关真菌群落的变化主要是由于影响马铃薯的植物病原真菌数量减少所致。这些植物病原真菌主要属于Colletotrichum属，这种真菌会导致马铃薯茎、根和块茎出现黑斑病，并可能导致块茎产量下降（Tsror等人，1999年；Sanzo-Miró等人，2023年）。尽管如此，Colletotrichum也被归类为植物共生菌，与Fusarium和Acremonium属同属一类。虽然某些Fusarium物种是重要的马铃薯病原体，会导致枯萎病（Azil等人，2021年；Cullen等人，2005年），但Acremonium属并非已知的马铃薯病原体。之前的研究表明，珍珠粟能够产生一种具有抗真菌特性的半胱氨酸蛋白酶抑制剂（Joshi等人，1998年），这可能是珍珠粟改变马铃薯根系相关微生物组并影响后续马铃薯产量的机制之一。结合我们的研究结果，这表明珍珠粟可能在作物轮作中用于抑制植物病原体。

然而，在我们的研究中，植物病原真菌与马铃薯产量的变化关系并不显著，而与具有腐生特性的真菌关系更为密切。虽然被归类为潜在腐生菌的真菌中包括Fusarium和Acremonium属，但构成这一真菌群落主体的腐生菌还包括一些对马铃薯有益的真菌，如Mortierella和Podospora属。尽管这些真菌具有腐生特性，但Mortierella属也与增加作物产量和减少马铃薯疮痂病有关（Tagawa等人，2010年；Ozimek和Hanaka，2021年）。此外，Podospora在健康的豌豆土壤中较为丰富（Xu等人，2012年），而在健康的中国白菜（Brassica rapa subsp. pekinensis）土壤中，Mortierella和Podospora的数量也高于病土（Li等人，2024年）。综合这些结果 можно сказать，珍珠粟通过其生物质生产促进了与马铃薯分解相关的土壤微生物群落的发展，从而间接提高了马铃薯产量，这一机制值得进一步研究。

**土壤中的RLN和Verticillium spp.数量**
尽管不同处理措施下马铃薯早衰症状的严重程度相似，且与产量降低或RLN数量之间没有直接关联，但我们发现，在种植马铃薯之前的秋季和春季，土壤中的RLN数量与马铃薯产量呈显著负相关。种植珍珠粟作为单一作物或珍珠粟后种植褐芥菜作为生物熏蒸剂的处理方式显著提高了产量。这表明，在马铃薯种植前用珍珠粟和褐芥菜“Caliente 199”作为生物熏蒸剂可以抑制土壤中的RLN数量，从而保护马铃薯免受产量损失。我们的结果与先前的田间研究一致（Orlando等人，2020年；Sritharan等人，2006年；Ball-Coelho等人，2003年；Chen等人，2022年）。此外，过去的温室研究也表明褐芥菜“Caliente 199”对RLN的寄主能力较差（Knoetze等人，2023年；Neupane和Yan，2022年）。相反，在两种减少耕作的多年生混合作物（B-T:RC和McCain）以及我们的密集型马铃薯-大麦年度控制处理中，RLN数量明显增加。虽然可以预期在轮作中使用马铃薯会增加RLN和V. dahliae的数量，但我们并未预料到在减少耕作的多年生混合作物中会出现这种情况，因为减少耕作和草本-豆科植物混种通常被认为对多种土壤健康指标有益（Dhakal和Islam，2018年；Awale等人，2017年；Mbuthia等人，2015年；Helgason等人，2009年；Mathew等人，2012年）。这两种处理中RLN数量的增加可能是由于使用了红三叶草。尽管这两种处理都种植了蒂莫西草和红三叶草，但先前的研究表明蒂莫西草是RLN的不良宿主（Petersen等人，1991年），而红三叶草是RLN的良好宿主，其在轮作中的使用可能会增加RLN和真菌病原体的数量，从而导致马铃薯产量下降（Skipp和Christensen，1990年；Mbiro等人，2024年；Kimpinski等人，2000年；Johnston等人，1994年）。这体现了在促进理想土壤生态系统特性（如土壤结构属性和通过固氮作用增加土壤有机氮）的过程中可能存在的权衡，同时也可能引入不希望出现的作物拮抗性土壤生物。因此，考虑覆盖作物的组成对影响土壤生物群落和实现理想的农艺结果至关重要。

**土壤中V. dahliae的数量**
在我们的研究中，V. dahliae的数量与马铃薯产量和马铃薯早衰症状只有轻微关联，这表明其在马铃薯种植前的数量不足以显著影响产量。我们仅在P-B处理中观察到土壤中V. dahliae数量的短暂增加，这与观察到的更严重的马铃薯早衰症状相符，证实了V. dahliae对马铃薯产量的负面影响（Riedel和Rowe，1985年；Krikun和Orion，1979年）。这再次表明，像这里使用的两年轮作（马铃薯-大麦）这样的频繁种植模式可能导致V. dahliae的积累，进而引发影响马铃薯产量的土传病害（Peters等人，2003年；Carter和Sanderson，2001年）。

**结论**
总之，我们提供了证据，证明饲用珍珠粟（品种CFPM-101）作为轮作全季覆盖作物在马铃薯种植系统中的有效性，不仅可以因为它对RLN具有较低的寄主性（Neupane和Yan，2022年），还可以因为它能够改变后续马铃薯作物根系相关的微生物组。值得注意的是，尽管褐芥菜的生物量对马铃薯产量和根系相关微生物的预测能力较弱，但将其与珍珠粟结合使用并未抑制珍珠粟的效果。这一点从珍珠粟后种植褐芥菜或珍珠粟与褐芥菜混种的处理方式中获得类似产量可以看出。据我们所知，关于饲用珍珠粟抑制土壤传播病害（不仅仅是RLN）的能力的研究很少。在马铃薯种植前的几年中，珍珠粟的生物量产生可能促进了土壤中细菌和真菌腐生菌的生长，从而为马铃薯作物带来了额外的间接效益。前几年的种植处理对马铃薯根系相关细菌群落的影响主要由珍珠粟引起，导致光养细菌数量下降，进而通过反硝化和氮损失过程降低了产量。珍珠粟对马铃薯产量的有益影响可能与其生物质生产有关，这种生产长期限制了反硝化细菌的数量，并促进了腐生真菌的生长，从而可能对马铃薯产量产生积极影响。然而，考虑到植物-微生物群落相互作用会受环境因素影响，需要进一步研究珍珠粟在不同气候和土壤类型中对土壤微生物组的影响一致性，以确保其在作物轮作中的可靠应用。总体而言，这些结果揭示了珍珠粟作为覆盖作物后马铃薯产量相关的土壤生物群落组成的复杂变化，这些变化仍需进一步阐明，以便未来应用。