摘要
为揭示不同品种马铃薯根际土壤微生物群落组成特征，通过布设在黄土高原半干旱区的田间定位试验，采用高通量测序和聚合酶链反应技术并结合零模型，揭示了马铃薯根际土壤微生物群落组装过程。结果表明，不同品种马铃薯根际土壤微生物群落组成存在一定差异。不同品种的细菌优势属为节杆菌属（Arthrobacter），类诺卡氏属 （Nocardioides）和链霉菌属（Streptomyces），但与对照品种陇薯 10 号（LS10）相比，定薯 3 号（DS3）显著提高了根际土壤链霉菌属（Streptomyces）和气微菌属（Aeromicrobium）的相对丰度，陇薯 22 号（LS22）显著提高了 MND1 相对丰度。LS10 和青薯 9 号（QS9）根际土壤真菌优势属为枝顶孢属（Acremonium），DS3 品种优势真菌属为被孢霉菌属（Mortierella），其余品种优势属为横节霉菌属（Chalara），且 DS3 显著提高了根际 Lasiobolidium 和瓶霉菌属 （Phialophora）相对丰度。LS10、陇薯 16（LS16）和 QS9 根际敏感微生物分别为细菌蛭弧菌目（Cellvibrionales）、真菌鸡油菌目（Cantharellales）和 Basidiobolales，陇薯 14 号（LS14）敏感微生物包括细菌 Adlerbacteria 和真菌圆盘菌目 （Orbiliales）、Dothideomycetes、Magnaporthales。微生物群落组装过程分析表明，DS3 和 LS14 品种根际细菌群落组装由确定性过程主导，其他品种根际土壤细菌和真菌群落组装均以随机性过程为主导。
Abstract
To reveal the microbial community compositional characteristics of rhizosphere soil in different potato varieties， this study conducted a field positioning experiment in the semi-arid region of the Loess Plateau. High-throughput sequencing and polymerase chain reaction techniques were employed，and the assembly processes of the rhizosphere soil microbial community were analyzed based on a null model. The results showed that there were certain differences in the microbial community composition of different potato variety rhizosphere soils. The dominant bacterial genera in different varieties were Arthrobacter，Nocardioides，and Streptomyces. However，the Longshu10（LS10），Dingshu3（DS3）significantly increased the relative abundance of Streptomyces and Aeromicrobium，while Longshu22（LS22）significantly increased the relative abundance of MND1 compared with the control variety. The dominant fungal genera in the rhizosphere soil of LS10 and Qingshu9（QS9）were Acremonium，while the dominant fungal genus in DS3 was Mortierella，and the dominant genus of other varieties was Chalara. DS3 significantly increased the relative abundance of Lasiobolidium and Phialophora. The sensitive microorganisms in the rhizosphere soil of LS10，Longshu16（LS16），and QS9 were Cellvibrionales（bacteria）， Cantharellales（fungi），and Basidiobolales（fungi），respectively. The sensitive microorganisms in the rhizosphere of Longshu14（LS14）included the bacteria Adlerbacteria，and the fungi Orbiliales，Dothideomycetes，and Magnaporthales. The microbial community assembly processes analysis indicated that the bacterial community assembly in the rhizosphere of DS3 and LS14 was dominated by deterministic processes，while the assembly of bacterial and fungal communities in the rhizosphere of other varieties was dominated by random processes.
Keywords
作物根际是土壤微生物最活跃的热点区域，这主要归因于生态位中微生物群落组成与根系分泌物为微生物提供了赖以生存的营养物质。土壤微生物不仅会作为病原菌参与病害的发生，作物也会招募一些有益微生物共同影响其生长发育[1-3]。根际微生物的影响因素包括土壤环境[4-6]和作物类型[7] 等。在根际微生区系，微生物群落对土壤环境的响应相对较低，主要受作物类型的影响[8]。
同种作物的不同品种（作物基因型）是影响根际微生物群落的一个重要因素[9-10]，有对玉米的研究表明，根际微生物活性及其群落组成的分异可能是由品种形态学之间的差异导致的[11]。玉米品种基因型显著影响了玉米根际细菌群落的组成，且主要表现于某些 β 变形菌属和特定的伯克氏菌属上的差异[9]。采用磷脂脂肪酸法分析不同品种水稻根际微生物区系发现根际微生物群落结构对两个水稻品种的响应差异明显[12]；但也有研究发现不同品种水稻根系微生物群落发生变异的微生物主要是水稻内生菌群落，而根际群落的影响不显著[13-14]。关于不同品种籼稻和粳稻根际微生物区系进行 16S 核糖体 RNA 基因图谱的研究发现，籼稻根际细菌群落多样性指数要明显高于粳稻，且籼稻更能招募氮代谢功能的微生物菌属[15]。大豆基因型显著影响根际细菌群落结构，导致其共生网络也发生变异[16]，且在不同土壤类型中未驯化的大豆根际微生物多样性均显著高于驯化大豆[17]。针对玉米、水稻、大麦等禾谷类作物的研究证明，在进化地位、地上性状或养分利用方式不同的品种间，根际微生物群落结构及其养分循环功能均存在一定差异[18]。但是，不同基因型马铃薯根际微生物组是否存在差异，同种作物不同品种根际微生物群落间是否存在着定殖差异，这可能关系到不同品种的土壤适应性，因此更具有研究价值。
2015 年农业部正式提出马铃薯主粮化战略，继水稻、小麦和玉米之后，马铃薯成为第四大主粮作物。为满足世界人口增长和社会发展，未来 20 年间还需要增加 1 亿 t 粮食，其中 50% 的粮食产能需要通过马铃薯增产来实现[19]。甘肃省是我国重要的马铃薯商品薯和种薯生产基地，2020 年甘肃省马铃薯播种面积 70 万 hm2，产量 1550 万 t，播种面积和产量均位列全国第三位[20-21]。但随着马铃薯种植面积的不断增加，普遍的连续单一化和规模化种植模式导致连作障碍问题日益突出，严重影响了马铃薯的产量与品质。黄土丘陵区的试验表明，马铃薯连作 3 年后产量开始显著降低[22-23]。因此，筛选能够抵抗病原体、招募有益微生物、适宜长期连作和规模化种植的马铃薯品种可促进区域马铃薯绿色高效生产。
本研究在陇中旱农区选择 7 个主栽马铃薯品种为研究对象，通过高通量测序技术分析马铃薯根际土壤微生物群落特征，揭示不同品种马铃薯根系对土壤微生物的选择性募集作用及其组装机制，为区域马铃薯优良品种的推广提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验设在甘肃省定西市安定区李家堡镇。试验区属中温带半干旱区，平均海拔 2000 m，年均太阳辐射 592.9 kJ·cm-2，日照时数 2476.6 h，年均气温 6.4℃，≥ 0℃年均积温 2933.5℃，≥ 10℃年均积温 2239.1℃；无霜期 140 d，年均降水量 390.9 mm，年蒸发量 1531 mm，干燥度 2.53，为典型的雨养农业区。土壤耕层有机碳 6.25 g·kg-1，全氮 0.77 g·kg-1，全磷 0.68 g·kg-1，有效磷 12.59 mg·kg-1，速效钾 100.40 mg·kg-1，pH 为 8.28。
1.2 试验设计
以当地主栽马铃薯品种陇薯 10 号（LS10）为对照，同时选取陇薯 14 号（LS14）、陇薯 15 号 （LS15）、陇薯 16 号（LS16）、陇薯 22 号（LS22）、青薯9号（QS9）、定薯3号（DS3） 共 6 个晚熟品种为研究对象，随机区组排列，3 次重复。小区面积 7 m×8 m=56 m2，每小区 6 垄 12 行，种植模式为黑膜覆盖高垄栽培（膜宽 110 cm、厚 0.01 mm），垄宽 0.7 m，垄高 0.3 m，行距 0.5 m，株距 0.3 m，播种密度 57750 株·hm-2。所有品种施肥量一致（N 180 kg·hm-2，P2O5 150 kg·hm-2）。根据 2022 和 2023 年产量，高产品种为 QS9、LS10，低产品种为 DS3、LS22。
1.3 样品采集
各小区随机采取 5 株马铃薯盛花期植株，采用刷根法收集根际土壤并将其混匀后，一部分放置于-80℃冰箱保存，用于根际土壤微生物的测定，剩余部分土壤风干用于土壤理化指标的测定。
1.4 土壤理化指标测定
土壤 pH 采用酸度计（PB-10，德国赛多利斯）测定，土壤与水的比例为 1∶2.5。有机碳采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法测定；全氮采用硫酸消煮-凯氏定氮法测定；有效磷含量采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾使用醋酸铵浸提-火焰光度法测定。
1.5 根际土壤微生物测定
土壤样品微生物群落结构 DNA 的提取：利用土壤 DNA 提取试剂盒（FastDNA ® SPIN Kit for Soil， MPBiomedicals，美国）提取样品总 DNA，获得的土壤总 DNA 利用琼脂糖凝胶电泳检测其完整性，并利用紫外－可见分光光度计（NanoDrop2000， ThermoScientific，美国）检测 DNA 的浓度和纯度。聚合酶链反应（PCR）扩增：采用细菌 16S rRNA 基因引物 515F（5′-GTGCCAGCMGCCGCGG-3′）和 907R（5′-CCGTCAATTCMTTTRAGTTT-3′）进行 V4～V5 区、真菌 ITSr-RNA 基因引物 ITS 1F（5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3′） 和 ITS 2R（5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′） 进行 ITS 区段 PCR 扩增。PCR 扩增条件为 98℃ 2 min 预变性，然后进行 （98℃ 15 s，55℃ 30 s，72℃ 30 s）25 个循环，最后 72℃延伸 5 min。将同一样本的 PCR 产物混匀后用 2% 的琼脂糖凝胶电泳检测，将 PCR 产物应用 Quanti FluorTM-ST 蓝色荧光定量系统（Promega 公司）进行检测与定量。采用 Illumina Miseq PE300 测序，并借助上海美吉生物医药科技有限公司高通量测序平台测序。
以物种对生境的特异性和适宜性为基础，采用物种指示值分析法计算土壤微生物敏感物种指示值，并通过指示值确定敏感性物种。如果指示值大于 0.6，则认为该物种是敏感物种，否则为非敏感物种。物种指示值采用 R 软件中“labdsv”程序包计算。
1.6 数据处理
使用 SPSS 25.0、Excel 2010 对土壤物理化学和微生物特性数据进行处理，利用单因素方差分析和多重比较（LSD 法，P ≤ 0.05）进行差异显著性分析。使用 Canoco 5（Biometris，Wageningen，荷兰） 对土壤环境因子和微生物群落组成进行冗余分析 （RDA）。微生物群落多样性分析、非度量多维尺度分析和微生物网络分析借助上海美吉公司 I-Sanger 云平台进行。使用 R 程序包 iCAMP，基于系统发育零模型的 RCbray 指数（修正后的 Raup-Crick 指数） 和最小分类单元指数（βNTI）定量评估群落构建过程：βNTI <-2 为同质性选择过程；βNTI>2 为异质性选择过程；当 |βNTI|<2，RCbray<-0.95 时，同质扩散过程占主导；当 |βNTI|<2，RCbray>-0.95 时，扩散限制过程占主导；而 |βNTI|<2 和 |RCbray|<0.95 表明生态漂变过程占主导[24-25]。所有图表采用 Adobe Illustrator CS6 进行修饰。
2 结果与分析
2.1 不同品种马铃薯根际土壤微生物群落多样性
根际土壤微生物 Alpha 多样性如图1，根际土壤细菌群落 Ace 指数、Chao 指数在 LS16 中最高，在 LS10 中最低，而 Shannon 指数在 LS10 最高； 根际真菌群落 Ace 指数、Chao 指数在 QS9 中最高，而在 LS14 中最低。根际土壤细菌和真菌 Alpha 多样性指数各品种间均无显著差异。
图1不同品种马铃薯根际土壤微生物群落多样性指数
注：LS10、LS14、LS15、LS16、LS22、QS9 和 DS3 分别表示陇薯 10 号、陇薯 14 号、陇薯 15 号、陇薯 16 号、陇薯 22 号、青薯 9 号和定薯 3 号。下同。
2.2 不同品种马铃薯根际土壤微生物群落结构
本研究对马铃薯根际土壤 21 个样品进行高通量测序共得到细菌 37 门 125 纲 306 目 492 科 964 属，真菌 11 门 34 纲 87 目 200 科 463 属。
不同品种马铃薯根际土壤细菌优势属均为节杆菌属（Arthrobacter，3.74%～7.50%），类诺卡氏属 （Nocardioides，1.85%～4.26%）和链霉菌属（Streptomyces，1.85%～2.96%）（图2A）。DS3 根际土壤链霉菌属（Streptomyces）相对丰度显著高于 LS10、 LS15 和 QS9；气微菌属（Aeromicrobium）相对丰度显著高于 LS10、LS14、LS15、LS22 和 QS9。LS22 根际土壤 MND1 相对丰度显著高于 LS10、LS14 和 QS9；硝化螺旋菌属（Nitrospira）相对丰度显著高于 LS14、LS15、LS16、QS9 和 DS3（图2B）。
如图3（A）所示，LS10 和 QS9 根际土壤优势属为枝顶孢属（Acremonium，18.18% 和 16.48%）， DS3 品种优势菌属为被孢霉菌属（Mortierella， 8.55%），其余品种优势菌属均为横节霉菌属（Chalara，13.73%～19.67%）。LS16 根际土壤 Plectosphaerella 相对丰度最高且显著高于 LS14 和 LS22， Schizothecium 相对丰度显著高于 LS14 和 QS9。DS3 根际土壤 Lasiobolidium 和瓶霉菌属（Phialophora） 相对丰度显著高于其他品种（图3B）。
为探究影响根际土壤微生物群落组成的主导环境因子，对土壤微生物群落门水平和理化因子进行 RDA 分析（表1，图2C，图3C）。QS9 根际土壤速效钾含量显著高于其他品种（P<0.05）， LS10、LS15 和 QS9 根际土壤有效磷含量显著高于 LS14 和 LS22（P<0.05）。细菌酸杆菌门（Acidobacteriota）、绿弯菌门（Chloroflexi）、硝化螺旋菌门（Nitrospirota）和 Methylomirabilota 与土壤全磷、电导率、全氮和有机碳呈正相关，芽单胞菌门（Gemmatimonadota）、放线菌门（Actinobacteriota）和拟杆菌门（Bacteroidota）与土壤水分呈正相关，拟杆菌门（Bacteroidota）、厚壁菌门（Firmicutes）、疣微菌门（Verrucomicrobiota）和变形菌门（Proteobacteria）与土壤有效磷、速效钾和 pH 呈正相关。土壤速效钾是影响马铃薯根际土壤细菌群落的主要环境因子。真菌子囊菌门（Ascomycota）与土壤速效钾、有效磷、全氮、全磷、水分和 pH 呈正相关，担子菌门（Basidiomycota）和壶菌门（Chytridiomycota） 与土壤水分、全氮、全磷、有效磷和电导率呈正相关。土壤 pH 和速效钾是影响马铃薯根际土壤真菌群落的主要环境因子。
图2不同品种马铃薯根际土壤细菌群落结构
注：（A）和（B）为细菌属水平群落结构，（C）为细菌门水平冗余分析。Actinobacteriota、Proteobacteria、Chloroflexi、Acidobacteriota、Gemmatimonadota、Bacteroidota、Myxococcota、Firmicutes、Patescibacteria、Verrucomicrobiota、Nitrospirota 和 Methylomirabilota 分别代表放线菌门、变形菌门、绿弯菌门、酸杆菌门、芽单胞菌门、拟杆菌门、黏菌门、厚壁菌门、髌骨细菌门、疣微菌门、硝化螺旋菌门和拟杆菌门。SOC、TN、TP、AP、 AK、EC、SM 分别为土壤有机碳、全氮、全磷、有效磷、速效钾、电导率、水分。* 表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。
图3不同品种马铃薯根际土壤真菌群落结构
注：（A）和（B）为真菌属水平群落结构，（C）为真菌门水平冗余分析。Ascomycota、Mortierellomycota、Basidiomycota 和 Chytridiomycota 分别代表子囊菌门、罗兹菌门、担子菌门、壶菌门。
2.3 根际土壤敏感微生物差异
通过指示值法筛选不同品种根际土壤的敏感细菌和真菌，分析土壤微生物对不同品种根际活动的响应。为了提高结果的可靠性，选取指示值大于 0.60 的种群，共筛选出细菌 3 个目，真菌 4 个目（ 图4，表2）。LS14 品种敏感微生物种类最多，细菌有 Adlerbacteria，真菌有圆盘菌目（Orbiliales）、Dothideomycetes 和 Magnaporthales；LS10、LS16 和 QS9 品种各有 1 个目，分别为细菌蛭弧菌目（Cellvibrionales）、真菌鸡油菌目（Cantharellales） 和 Basidiobolales。其中 LS14 品种的细菌 Adlerbacteria 和真菌 Magnaporthales， QS9 品种的真菌 Basidiobolales 为其特有的微生物目。
表1不同品种马铃薯根际土壤基本理化性状
注：数据为平均值 ± 标准差（n=3），同列不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。
图4不同品种马铃薯根际土壤微生物群落指示目
表2不同品种马铃薯根际土壤微生物群落指示目及其物种指示值
注：* 表示指示值大于 0.6。
2.4 不同品种马铃薯根际土壤微生物群落组装机制
为了探寻驱动不同品种马铃薯根际土壤微生物群落结构差异的原因，基于零模型分析根际土壤微生物群落分布模式的内在组装机制（图5）。土壤 |βNTI| 分析表明，LS14 和 DS3 品种根际土壤细菌群落以确定性组装过程为主，其余品种均以随机性组装过程[26]为主（图5A）；所有品种根际土壤真菌群落均以随机性组装过程为主（图5C）。进一步计算 |βNTI|<2 条件下 RCbray 值，土壤细菌群落 LS14 和 DS3 以确定性过程中的异质性选择 （βNTI>2）为主，其他品种均以随机性过程中的生态漂变[24]为主（图5B）；土壤真菌群落 LS16、 QS9 和 DS3 以随机性过程中的扩散限制为主，其余品种均以随机性过程中的生态漂变为主（图5D）。
图5不同品种马铃薯根际土壤细菌（A，B）和真菌（C，D）群落组装生态过程
注：Determinism 为确定性过程；HoS 为同质性选择；HeS 为异质性选择；Stochasticity 为随机性过程；DL 为扩散限制；HD 为同质性扩散；DR 为生态漂变。
3 讨论
微生物群落在农业生态系统中发挥着重要作用，可影响土壤养分循环和植物的生理变化[25，27]。不同植物品种诱导的微生物群落变化在前期研究中有广泛报道[28-30]。本研究不同马铃薯品种根际土壤细菌优势属均为节杆菌属，而真菌优势属存在差异，其中 LS10 和 QS9 根际土壤优势菌属为枝顶孢属，DS3 品种优势菌属为被孢霉菌属，其余品种优势菌属均为为横节霉菌属。枝顶孢属作为拮抗菌[31]，产生抗生素或类似的代谢产物保护宿主免受土壤病原菌的感染，这说明 LS10 和 QS9 对有益微生物募集作用更强，可能由这两个品种根系对微生物的选择效应导致，根系从周围土壤微生物群落中富集大量具有促生或者拮抗效应的有益微生物，促进地上生长发育[32-33]以增加生物量，这也进一步为本试验前期研究中 LS10 和 QS9 具有较高产量提供了有力佐证。DS3 的优势菌属为被孢霉菌属，发达的菌丝能通过影响土壤团聚体而改变土壤微生境[34]，但研究同时发现 DS3 根际土壤招募了更多致病菌，如链霉菌属和瓶霉菌属，特别是链霉菌为马铃薯疮痂病的主要病原菌[35]。MND1 作为一种氨氧化细菌，在土壤氮循环中发挥重要作用[36]，本研究中 LS22 品种 MND1 和硝化螺旋菌属相对丰度显著高于 LS14、LS15、LS16、QS9 和 DS3，有研究发现驯化植物选择性招募携带固氮基因和氮转化基因的根际关键类群，通过根系分泌物的吸引来维持植物对氮的吸收[37]。本研究还发现 LS22 品种 Plectosphaerella 相对丰度最低，Plectosphaerella 通常寄生于各种植物上，引起叶斑病和疫病[38]，这也表明 LS22 品种通过招募多种有益菌属和降低有害菌属相对丰度来改善土壤微生境。LS16 品种 Plectosphaerella 相对丰度最高且显著高于 LS14 和 LS22，说明 LS16 品种的病原体侵染概率可能较高，有待后续进一步研究。本研究还发现，土壤速效钾是影响马铃薯根际土壤细菌和真菌群落的主要环境因子。马铃薯是典型的喜钾作物，生育期内对钾的需求量最大，根际土壤速效钾含量最高，由于黄绵土属于富钾土壤，本试验马铃薯种植过程中没有施钾肥。因此，不同品种通过根系分泌物酸化土壤环境以促进矿物态钾的溶解和释放，其中钾素利用高效型根系分泌物的释钾能力高于低效型。本试验中 QS9 根际速效钾含量显著高于其他品种，说明该品种属于钾素利用高效型品种，这也进一步证明不同品种根系分泌物的差异会影响土壤速效养分和 pH，进而改变根际土壤微生物的群落结构，但是由于本研究没有涉及马铃薯根系分泌物的相关内容，故马铃薯根系代谢物介导根际土壤微生物群落变化的深层机理还有待于后续进一步探讨。
本研究中各品种马铃薯根际微生物多样性无显著差异，可能由于这些品种均种植于同一块农田上，气候条件与土壤性质几乎相同，并且拥有相同的微生物物种库。但通过进一步分析发现不同品种马铃薯根际微生物群落中有不同的敏感微生物，这体现了不同宿主在招募根际微生物群落中发挥的作用，这是由于植物根际对微生物群落具有选择作用，已有研究表明玉米幼苗通过选择有限的菌属来建立根际细菌群落[39]，而且有些微生物对某些植物基因型有特殊的亲和力，也表明了植物基因型对根际微生物群落具有显著影响，因为同一植物不同品种中几个主要的等位基因可以控制根际微生物群落的不同。此外，不同品种马铃薯根系分泌物释放的信号化学物质会改变根际敏感微生物组的募集[40]，以改善其对环境胁迫的适应性。
群落组装过程对于探索微生物群落变化的潜在机制具有重要意义[41]，它决定了微生物群落的组成和微生物共存的模式[42]。在本研究中，LS10、 LS15、LS16、LS22 和 QS9 根际土壤细菌群落均以随机性过程为主导，LS14 和 DS3 根际土壤细菌群落以确定性过程为主导（图5）。然而大多数研究表明，土壤细菌的群落组装过程以随机过程为主导[43]，这可能归因于土壤微生物对环境异质性 （土壤 pH 和养分含量等）的不同敏感性。本文中也发现 LS14 和 DS3 根际土壤 pH 高于其他品种，这说明土壤 pH 的增加可能会增强确定性过程对土壤细菌群落构建的贡献，这与 pH 是影响细菌群落主要环境因子的共识较为一致，这也印证了大多数细菌具有较窄的最适 pH 范围这一观点。所有马铃薯品种根际土壤真菌群落组装过程均以随机性过程为主导，其中 LS16、DS53 和 QS9 品种以随机性过程中的扩散限制为主。可能是 LS16、DS53 和 QS9 根际土壤微生物群落的相互作用更加复杂，提高了它们抵抗环境压力的能力[44]。而其他品种马铃薯均以生态漂变为主，即使在没有选择的情况下，生态漂变也能改变微生物群落结构格局，说明生态漂变在塑造微生物群落结构中发挥重要作用。
4 结论
不同品种马铃薯根际土壤微生物组成存在显著差异，高产品种 LS10 和 QS9 的优势真菌属为拮抗菌枝顶孢属，而低产品种 DS3 招募有益菌属的同时也招募更多致病菌，如链霉菌属和瓶霉菌属。基于零模型的微生物群落组装过程发现，DS3 和 LS14 根际细菌群落组装由确定性过程主导，其余品种根际土壤微生物群落组装均以随机性过程为主导。土壤速效钾和 pH 是影响根际土壤微生物的主要环境因子，且增强了确定性过程对土壤细菌群落构建的贡献。