间作模式下作物根际土壤代谢物对微生物群落的影响

doi:10.11686/cyxb2023005

草业学报 ›› 2023, Vol. 32 ›› Issue (11): 65-80.DOI: 10.11686/cyxb2023005

间作模式下作物根际土壤代谢物对微生物群落的影响

许代香¹^,²(), 杨建峰²^,³, 苏杭³, 翟建荣³, 綦才³, 赵龙刚²^,⁴, 郭彦军²^,⁴()

^1.西南大学农学与生物科技学院，重庆 400715
^2.青岛市滩涂盐碱地特色植物种质创制与利用重点实验室，青岛农业大学，山东青岛 266109
^3.西南大学动物科学与技术学院，重庆 400715
^4.东营青农大盐碱地高效农业技术产业研究院，山东东营 257091

收稿日期:2023-01-05 修回日期:2023-02-13 出版日期:2023-11-20 发布日期:2023-09-27
通讯作者: 郭彦军
作者简介:E-mail： qhgyj@126.com
许代香（1993-），女，重庆巫山人，在读博士。E-mail： 13594700414@163.com
基金资助:
重庆市科技局技术创新与应用发展专项(cstc2021jscx-gksbX0014);黄三角国家农高区科技专项(2022SZX32)

Effect of the metabolites in rhizosphere soil on microbial communities of crop intercropping system

Dai-xiang XU¹^,²(), Jian-feng YANG²^,³, Hang SU³, Jian-rong ZHAI³, Cai QI³, Long-gang ZHAO²^,⁴, Yan-jun GUO²^,⁴()

^1.College of Agronomy and Biotechnology，Southwest University，Chongqing 400715，China
^2.Qingdao Key Laboratory of Specialty Plant Germplasm Innovation and Utilization in Saline Soils of Coastal Beach，Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，China
^3.College of Animal Science and Technology，Southwest University，Chongqing 400715，China
^4.Academy of Dongying Efficient Agricultural Technology and Industry on Saline and Alkaline Land in Collaboration with Qingdao Agricultural University，Dongying 257091，China

Received:2023-01-05 Revised:2023-02-13 Online:2023-11-20 Published:2023-09-27
Contact: Yan-jun GUO

摘要/Abstract

摘要：

间作可通过根系互作改变土壤微生物群落结构，影响作物产量。本研究结合Eco-Biolog微平板法和液相色谱-串联质谱法（LC-MS），综合分析了玉米和高粱与大豆两种间作系统中不同年限作物产量、根际土壤理化性状、根际土壤微生物群落变化特征及根际土壤代谢物的差异，旨在探究不同种间互作影响复合作物群体产量的原因。结果表明：间作显著提高作物产量，且较第一年，产量上的间作优势在第二年中表现得更明显。与单作相比，间作能够增加速效养分的积累和吸收；间作玉米根际土壤中速效磷和速效钾、间作高粱根际土壤中碱解氮、速效磷和速效钾、玉米间作大豆中的大豆根际土壤中速效磷和速效钾以及高粱间作大豆中的大豆根际土壤中速效磷和速效钾含量均显著增加。与单作相比，间作条件下玉米、高粱和大豆的微生物量碳氮含量显著升高，根际土壤微生物的活性更强，微生物群落组成更加丰富。通过代谢组分析初步鉴定出不同作物根际土壤中可能影响土壤微生物富集的关键差异代谢组分，其中具有促进作用的差异代谢物在玉米、高粱和大豆中分别鉴定出4、2和1种，具有抑制作用的差异代谢物在玉米、高粱和大豆中各鉴定出1种。综合分析认为，玉米间作大豆和高粱间作大豆可通过种间根系互作改变根际土壤微环境，并重塑其中的微生物群落结构，进而加速根际土壤中速效养分的沉积，促进作物养分的吸收，提高作物产量。

关键词: 间作, 微生物功能多样性, 根际土壤代谢物, 玉米, 高粱, 大豆

Abstract:

In order to explore the reasons why interspecific interactions affects crop yield， we comprehensively analyzed the crop yield， the soil physicochemical properties， the rhizosphere soil microbial communities and the root exudates in maize （Zea mays）-soybean （Glycine max） and sorghum （Sorghum bicolor）-soybean intercropping systems in different years， combining the Eco-Biolog microplate method and liquid chromatography-mass spectrometry （LC-MS）. Crop yield was significantly increased in the intercropping systems， and the increase of yield in 2020 was more significant than it in 2019. Compared with monoculture， intercropping increased the accumulation and absorption of available nutrients. The contents of available nutrients in the crop rhizosphere soil of the intercropping system were significantly increased. Compared with monoculture， microbial biomass carbon and nitrogen contents in maize， sorghum and soybean in intercropping systems were increased significantly； microorganism activities were also higher， and microbial community composition was more diverse in the rhizosphere soil of intercropped crops. Based on the metabolomic analysis， five key differential metabolites that might cause changes in microbial communities in maize rhizosphere soil were tentatively identified. Four of these appear to enrich the microorganism populations in maize rhizosphere soil， and one appears to be inhibitory. Three metabolites in sorghum rhizosphere soil were identified， two of which appear to enrich presence of microorganisms in sorghum rhizosphere soil， while the third appears to be inhibitory. Two bioactive metabolites in soybean rhizosphere soil were identified， one apparently faciliatory and one inhibitory towards microorganisms. Multivariate analysis showed that maize-soybean and sorghum-soybean intercropping systems changed the soil micro-environment and reshaped the soil microbial community structure through interspecific root interactions in rhizosphere soil， which accelerated the deposition of available nutrients， promoted the absorption of crop nutrients， and ultimately increased crop yield.

Key words: intercropping, microbial functional diversity, metabolites in rhizosphere soil, maize, sorghum, soybean

许代香, 杨建峰, 苏杭, 翟建荣, 綦才, 赵龙刚, 郭彦军. 间作模式下作物根际土壤代谢物对微生物群落的影响[J]. 草业学报, 2023, 32(11): 65-80.

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图/表 14

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年份 Year	处理 Treatments	籽粒产量Grain yield （kg·hm^-2）			千粒重Thousand kernel weight （g）
年份 Year	处理 Treatments	玉米Maize	高粱Sorghum	大豆Soybean	玉米Maize	高粱Sorghum	大豆Soybean
2019	单作Monoculture	7005.33±52.26	3208.44±53.46	1105.04±80.08	257.36±6.84	20.87±0.09	153.50±6.79
	间作Intercropping	7111.84±36.84	3374.29±66.76	1555.63±42.97**①	258.63±12.79	21.74±0.84	170.33±1.01*①
	间作Intercropping	7111.84±36.84	3374.29±66.76	1540.77±53.09**②	258.63±12.79	21.74±0.84	162.67±2.62②
2020	单作Monoculture	7094.69±38.41	3209.20±53.44	1101.71±67.06	270.91±2.87	21.14±0.28	155.17±2.19
	间作Intercropping	7512.00±39.86**	3707.99±12.46**	1688.96±88.13**①	298.47±1.85*	21.94±0.28	172.00±0.70*①
	间作Intercropping	7512.00±39.86**	3707.99±12.46**	1770.77±56.87**②	298.47±1.85*	21.94±0.28	166.00±1.64②
变异来源Variation source
年份 Year （Y）		**	**	*	ns	ns	ns
种植模式 Planting pattern （P）		**	ns	**	ns	**	**
年份×种植模式 Y×P		*	ns	*	ns	ns	ns

年份 Year	处理 Treatments	籽粒产量Grain yield （kg·hm^-2）			千粒重Thousand kernel weight （g）
年份 Year	处理 Treatments	玉米Maize	高粱Sorghum	大豆Soybean	玉米Maize	高粱Sorghum	大豆Soybean
2019	单作Monoculture	7005.33±52.26	3208.44±53.46	1105.04±80.08	257.36±6.84	20.87±0.09	153.50±6.79
	间作Intercropping	7111.84±36.84	3374.29±66.76	1555.63±42.97**①	258.63±12.79	21.74±0.84	170.33±1.01*①
	间作Intercropping	7111.84±36.84	3374.29±66.76	1540.77±53.09**②	258.63±12.79	21.74±0.84	162.67±2.62②
2020	单作Monoculture	7094.69±38.41	3209.20±53.44	1101.71±67.06	270.91±2.87	21.14±0.28	155.17±2.19
	间作Intercropping	7512.00±39.86**	3707.99±12.46**	1688.96±88.13**①	298.47±1.85*	21.94±0.28	172.00±0.70*①
	间作Intercropping	7512.00±39.86**	3707.99±12.46**	1770.77±56.87**②	298.47±1.85*	21.94±0.28	166.00±1.64②
变异来源Variation source
年份 Year （Y）		**	**	*	ns	ns	ns
种植模式 Planting pattern （P）		**	ns	**	ns	**	**
年份×种植模式 Y×P		*	ns	*	ns	ns	ns

作物Crops	处理 Treatments	pH	碱解氮 Alkaline hydrolyzable nitrogen （mg·kg^-1）	速效磷 Olsen phosphorus （mg·kg^-1）	速效钾 Available potassium （mg·kg^-1）
玉米Maize	单作Monoculture	8.96±0.03	43.40±0.48	9.57±0.25	41.66±0.71
玉米Maize	间作Intercropping	8.95±0.01	43.75±0.25	18.15±0.24**	50.50±0.00*
高粱 Sorghum	单作Monoculture	8.92±0.00	43.05±0.74	12.41±0.63	51.00±0.71
高粱 Sorghum	间作Intercropping	8.85±0.06	47.25±0.75*	16.56±0.24*	56.22±1.06*
大豆 Soybean	单作Monoculture	8.67±0.05	46.20±0.00	14.85±0.27	65.00±0.35
	与玉米间作Intercropping with maize	8.74±0.07	48.01±0.49	18.68±0.36*	79.00±0.71**
	与高粱间作Intercropping with sorghum	8.71±0.05	49.97±0.50	18.22±0.10*	73.06±2.12*

作物Crops	处理 Treatments	pH	碱解氮 Alkaline hydrolyzable nitrogen （mg·kg^-1）	速效磷 Olsen phosphorus （mg·kg^-1）	速效钾 Available potassium （mg·kg^-1）
玉米Maize	单作Monoculture	8.96±0.03	43.40±0.48	9.57±0.25	41.66±0.71
玉米Maize	间作Intercropping	8.95±0.01	43.75±0.25	18.15±0.24**	50.50±0.00*
高粱 Sorghum	单作Monoculture	8.92±0.00	43.05±0.74	12.41±0.63	51.00±0.71
高粱 Sorghum	间作Intercropping	8.85±0.06	47.25±0.75*	16.56±0.24*	56.22±1.06*
大豆 Soybean	单作Monoculture	8.67±0.05	46.20±0.00	14.85±0.27	65.00±0.35
	与玉米间作Intercropping with maize	8.74±0.07	48.01±0.49	18.68±0.36*	79.00±0.71**
	与高粱间作Intercropping with sorghum	8.71±0.05	49.97±0.50	18.22±0.10*	73.06±2.12*

作物 Crops	处理 Treatments	Shannon指数 Shannon index （H′）	Simpson指数 Simpson index （D）	McIntosh指数 McIntosh index （U）
玉米Maize	单作Monoculture	3.27±0.00	0.95±4.15	7.20±0.00
玉米Maize	间作Intercropping	3.22±0.00	0.95±0.00	7.26±0.34
高粱Sorghum	单作Monoculture	3.00±0.13	0.95±2.67	6.01±0.00
高粱Sorghum	间作Intercropping	3.22±0.00*	0.94±0.00	6.51±0.50*
大豆Soybean	单作Monoculture	2.98±0.04	0.95±0.00	5.42±0.07
	与玉米间作Intercropping with maize	3.29±0.00*	0.93±0.00	6.97±0.31**
	与高粱间作Intercropping with sorghum	3.21±0.04*	0.96±2.83	8.23±0.00**

间作模式下作物根际土壤代谢物对微生物群落的影响

Effect of the metabolites in rhizosphere soil on microbial communities of crop intercropping system

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类别 Category	编号 Code	组分 Components	玉米Maize		高粱Sorghum		大豆Soybean
类别 Category	编号 Code	组分 Components	单作 Monoculture	间作 Intercropping	单作 Monoculture	间作 Intercropping	单作 Monoculture	与玉米间作Intercropping with maize	与高粱间作Intercropping with sorghum
有机酸类 Organic acids	OA01	吲哚乙酸Indoleacetic acid	Y	Y	Y	Y	Y	Y	Y
	OA02	吲哚-3-羧醛Indole-3-carboxylaldehyde	Y	Y	Y	Y	Y	Y	Y
	OA03	1H-吲哚-3-羧酸1H-INDOLE-3-CARBOXYLIC ACID	Y	Y	Y	Y	-	Y	Y
	OA04	1H-吲哚-3-羧酸1H-indole-3-carboxylic acid	Y	Y	Y	Y	Y	Y	Y
	OA05	芥子酰基苹果酸Sinapyl malate	Y	Y	Y	Y	Y	Y	Y
	OA06	芥子酸Sinapic acid	Y	Y	Y	Y	Y	Y	Y
	OA07	咖啡酸Caffeic acid	Y	Y	Y	Y	Y	Y	Y
氨基酸类 Amino acids	AA01	L-谷氨酸L-glutamic acid	Y	Y	Y	Y	Y	Y	Y
	AA02	L-（-）-苯丙氨酸L-（-）-phenylalanine	Y	Y	Y	Y	Y	Y	Y
	AA03	肌氨酸Creatine	-	-	Y	-	-	-	-
	AA04	L-色氨酸L-tryptophan	-	-	-	-	-	Y	-
硫苷类 Glucosinolates	GS01	4-甲基亚磺酰基硫代葡萄糖苷4-methylsulfinylbutyl glucosinolate	Y	Y	Y	Y	-	Y	Y
	GS02	4-甲基亚磺酰基硫代葡萄糖苷4-METHYLSULFINYLBUTYL GLUCOSINOLATE	-	-	-	-	-	Y	-
	GS03	R-2-羟基-3-丁烯基硫代葡萄糖苷R-2-hydroxy-3-butenyl glucosinolate	-	Y	-	-	-	-	-
	GS04	异鼠李素-3-O-芥子苷-7-O-葡萄糖苷Isorhamnetin-3-O-sinapoyldiglu-coside-7-O-glucoside	Y	-	-	-	-	-	-
	GS05	3-丁烯基硫代葡萄糖苷3-butenyl glucosinolate	-	-	Y	-	-	Y	-
	GS06	4-甲基硫丁基硫代葡萄糖酸盐4-methylthiobutyl glucoerucine	-	-	-	-	-	Y	-
	GS07	4-羟基吲哚-3-甲基硫代葡萄糖苷4-hydroxyindole-3-methyl glucosinolate	-	-	-	-	-	Y	-
	GS08	吲哚甲基硫代葡萄糖苷Indolyl methyl glucosinolate	-	-	-	-	-	Y	-
	GS09	2-苯乙基硫代葡萄糖苷2-phenylethyl glucosinolate	-	-	-	-	-	Y	-
	GS10	5-甲基硫喷妥钠硫代葡萄糖苷5-methylthiopental glucosinolate	-	-	-	-	-	Y	-
黄酮类 Flavonoids	FS01	柚皮素Naringenin	Y	Y	Y	Y	-	Y	-
	FS02	山柰酚Kaempferol	-	-	Y	Y	-	-	Y
	FS03	山柰酚-3-O-槐苷-7-O-葡萄糖苷Kaempferol-3-O-sophoroside-7-O-glucoside	-	-	-	-	-	Y	-

因子Factors	微生物量氮MBN	H′	D	U	OA02	OA03	OA04	OA06	AA01
微生物量碳MBC	0.76	-0.32	-0.15	-0.01	0.71	0.97**	0.96**	-0.90*	0.98**
微生物量氮MBN		-0.02	0.37	0.31	0.85*	0.84*	0.89*	-0.91*	0.85*
H′			0.77	0.68	-0.24	-0.39	-0.20	0.12	-0.30
D				0.85*	-0.01	-0.11	0.04	-0.23	-0.07
U					-0.20	0.04	0.17	-0.26	0.08
OA02						0.76	0.78	-0.74	0.77
OA03							0.98**	-0.91*	0.99**
OA04								-0.94**	0.99**
OA06									-0.92*

因子Factors	微生物量氮MBN	H′	D	U	OA02	OA04	OA05	FS02
微生物量碳MBC	0.95**	0.82*	-0.44	0.68	-0.97**	0.96**	-0.81	-0.73
微生物量氮MBN		0.78	-0.48	0.59	-0.86*	0.88*	-0.74	-0.71
H′			-0.06	0.60	-0.86*	0.78	-0.65	-0.37
D				0.10	0.31	-0.26	-0.02	0.92*
U					-0.78	0.86*	-0.72	-0.14
OA02						-0.97**	0.80	0.62
OA04							-0.87*	-0.56
OA05								0.33

因子Factors	微生物量氮MBN	H′	D	U	OA03	AA01
微生物量碳MBC	0.81**	0.86*	0.03	0.86**	0.57	-0.94**
微生物量氮MBN		0.85**	-0.18	0.59	0.22	-0.87**
H′			-0.27	0.72*	0.30	-0.85**
D				0.09	0.44	0.17
U					0.85**	-0.85**
OA03						-0.52

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