全 文 ：连作马铃薯根际土壤真菌种群结构及其生物效应*
孟品品1,2 刘摇 星1,2 邱慧珍1,2,3** 张文明1,2,3 张春红1,2,3 王摇 蒂2,3,4 张俊莲2,3,4 沈其荣5
( 1甘肃农业大学资源与环境学院, 兰州 730070; 2甘肃省干旱生境作物学重点实验室, 兰州 730070; 3甘肃省作物遗传改良与
种质创新重点实验室, 兰州 730070; 4甘肃农业大学农学院, 兰州 730070; 5 南京农业大学资源与环境学院, 南京 210095)
摘摇 要摇 连作障碍已成为马铃薯产业发展的主要限制因素,为了探明马铃薯连作障碍的机
理,减轻连作障碍对产量的影响,采用大田试验与 PCR鄄DGGE 分子指纹图谱技术相结合的方
法,研究马铃薯连作对根际土壤真菌种群结构的影响及其生物效应. 结果表明: 随着连作年
限的增加,根际土壤中真菌 DGGE 图谱的条带数量增加,连作 1 ~ 5 年处理的操作分类单元
(OTU)分别比对照(轮作)增加了 38. 5% 、38. 5% 、30. 8% 、46. 2%和 76. 9% ,说明马铃薯连作
使根际土壤中真菌优势种群的个体数明显增多.随着连作年限的增加,各处理间真菌种群结
构的相似性越来越低.通过真菌 DGGE条带的克隆测序比对发现,随着连作年限的增加,马铃
薯根际土壤土传病害病原菌尖孢镰刀菌和茄病镰刀菌的数量明显增加,而球毛壳菌作为一种
生防菌,连作 5 年时数量明显减少.连作使根际土壤中病原真菌种群过渡成为优势种群,根际
微生态环境恶化,从而作用于根系,使根系活力和吸收面积下降,最终导致块茎产量大幅度
下降.
关键词摇 马铃薯连作摇 PCR鄄DGGE摇 真菌种群结构摇 根系生理活性摇 块茎产量
*农业部公益性行业(农业)科研专项(200803031,201103004)和甘肃省科技重大专项(1102NKDM025)资助.
**通讯作者. E鄄mail: hzqiu@ gsau. edu. cn
2012鄄04鄄27 收稿,2012鄄09鄄05 接受.
文章编号摇 1001-9332(2012)11-3079-08摇 中图分类号摇 S532摇 文献标识码摇 A
Fungal population structure and its biological effect in rhizosphere soil of continuously
cropped potato. MENG Pin鄄pin1,2, LIU Xing1,2, QIU Hui鄄zhen1,2,3, ZHANG Wen鄄ming1,2,3,
ZHANG Chun鄄hong1,2,3, WANG Di2,3,4, ZHANG Jun鄄lian2,3,4, SHEN Qi鄄rong5 ( 1 College of Re鄄
sources and Environmental Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China;
2Gansu Province Key Laboratory of Aridland Crop Science, Lanzhou 730070, China; 3Gansu Prov鄄
ince Key Laboratory of Crop Genetic & Germplasm Enhancement, Lanzhou 730070, China; 4College
of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China; 5College of Resources and
Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China) . 鄄Chin. J. Appl.
Ecol. ,2012,23(11): 3079-3086.
Abstract: Continuous cropping obstacle is one of the main restriction factors in potato industry. In
order to explore the mechanisms of potato爷s continuous cropping obstacle and to reduce the impact
on potato爷s tuber yield, a field experiment combined with PCR鄄DGGE molecular fingerprinting was
conducted to investigate the fungal population structure and its biological effect in rhizosphere soil of
continuously cropped potato. With the increasing year of potato爷s continuous cropping, the numbers
of visible bands in rhizosphere fungal DGGE profiles increased obviously. As compared with that of
CK (rotation cropping), the operational taxonomic unit (OTU) in treatments of one to five years
continuous cropping was increased by 38郾 5% , 38. 5% , 30. 8% , 46. 2% , and 76. 9% respective鄄
ly, indicating that potato爷s continuous cropping caused an obvious increase in the individual num鄄
bers of dominant fungal populations in rhizosphere soil. Also with the increasing year of potato爷 s
continuous cropping, the similarity of the fungal population structure among the treatments had a
gradual decrease. The sequencing of the fungal DGGE bands showed that with the increasing year of
continuous cropping, the numbers of the potato爷s rhizosphere soil鄄borne pathogens Fusarium oxys鄄
应 用 生 态 学 报摇 2012 年 11 月摇 第 23 卷摇 第 11 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Nov. 2012,23(11): 3079-3086
porum and F. solani increased obviously, while the number of Chaetomium globosum, as a biocon鄄
trol species, had a marked decrease in the fifth year of continuous cropping. It was suggested that
potato爷s continuous cropping caused the pathogen fungal populations become the dominant microbi鄄
al populations in rhizosphere soil, and the rhizosphere micro鄄ecological environment deteriorated,
which in turn affected the root system, making the root vigor and its absorption area reduced, and
ultimately, the tuber yield decreased markedly.
Key words: continuous cropping of potato; PCR鄄DGGE; fungal population structure; root physio鄄
logical activity; tuber yield.
摇 摇 马铃薯(Solanum tuberosum)是世界公认的全价
食品,是位居小麦、玉米和水稻之后的世界第四大粮
食作物[1] .甘肃省是我国重要的马铃薯种薯和商品
薯基地以及淀粉加工基地[2-3],近 3 年马铃薯种植
面积稳定在 6. 4伊105 hm2 以上,连续 10 年种植面积
稳居全国第二,总产量居全国第一.马铃薯生产已成
为甘肃省带动农业和农村经济发展,促进农业增效、
农民增收的战略性主导产业,在保障粮食安全和主
产区农民收入方面发挥着十分重要的作用[4] .
马铃薯是茄科作物,不抗连作,应避免重茬和迎
茬种植[5] .然而,随着马铃薯产业的快速发展和种
植效益的不断提高,农民的种植积极性随之提高,导
致马铃薯连作现象十分普遍,连作障碍问题日益凸
显,出现了诸如马铃薯栽培土壤根际微生态环境恶
化,有害种群增加,病虫害加剧[6],土壤养分失
调[7-8],植株长势减弱,产量和品质持续下降[9]等一
系列连作障碍问题,严重阻碍了马铃薯产业的健康、
高效和可持续发展.
作物连作障碍产生的原因非常复杂,主要与土
传病害加剧[10-11],土壤理化性质变劣[12-13],以及由
根系分泌物和残茬分解物等引起的自毒作用等因素
有关[14-15] .不同作物连作障碍发生的原因差别很
大,但主要来自土壤,其中微生物种群结构失衡是导
致土壤质量下降、作物减产的主要原因之一[6] . 目
前已有的研究大多集中于设施蔬菜[16-17]、 瓜
果[18-19]、大豆[20-22]和中药材[23-25]等作物上,而有关
马铃薯连作障碍机理的研究鲜见报道,生产实践中
也缺乏行之有效的克服或减轻连作障碍的措施.
甘肃景泰条山农场的马铃薯生产由于订单农业
等条件的限制,轮作困难,连作现象十分严重,对产
量和经济效益造成很大影响,主要是由于马铃薯生
产中大量发生的土传病害,如立枯病和枯萎病等真
菌性病害所致[9,26-27] .为此,本研究选择不同连作年
限的地块,采用大田试验与 PCR鄄DGGE 分子指纹图
谱技术相结合的方法,研究马铃薯连作下根际土壤
真菌种群结构的变化,及其对根系生理活性和产量
等生物效应的影响,以揭示马铃薯连作障碍的可能
机理,为马铃薯连作障碍的综合防控提供科学依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
大田试验于 2010 年 4—8 月在位于甘肃省中部
沿黄灌区的白银市景泰县条山农场(36毅43忆—37毅
38忆 N,103毅33忆—104毅43忆 E )进行.境内海拔 1274 ~
3321 m,属温带大陆性干旱气候,年均温 9. 1 益,无
霜期 141 d,年均降水量 185. 6 mm,年均蒸发量
1722. 8 mm,年均日照时数 2713 h,全县光热资源丰
富,日照百分率 62% ,太阳年均辐射量 147郾 8
kCal·m-2,逸0 益年均活动积温 3614. 8 益,逸10 益
有效积温 3038 益 [28] . 供试土壤为灰钙土,有机质
10郾 1 g·kg-1, 全氮 0. 71 g · kg-1, 碱解氮 66
mg·kg-1, 速 效 磷 14 mg · kg-1, 速 效 钾 193
mg·kg-1,pH 8. 08(水土比 5 颐 1). 当地水源充足,
农业灌溉条件良好.
1郾 2摇 试验设计
在条山农场马铃薯种植区域内选择不同连作年
限的相邻地块进行田间试验,以前茬为玉米的轮作
地块为对照(即连作 0 年,用 L0表示),其余依次为
连作 1 年(L1)、2 年(L2)、3 年(L3)、4 年(L4)和 5
年(L5). 所选地块地势平坦、肥力均匀,具有代表
性.每处理 3 个重复,小区面积 9 m伊6. 1 m,采用宽
垄双行覆膜种植,播种前一天切种薯,用高锰酸钾浸
泡消毒,垄宽 1. 35 m,行距 70 cm,株距 17 cm,种植
密度每公顷 84075 株. 播种和施肥过程均采用机械
化一次进行,而后由人工覆膜. 不施用有机肥,化肥
用 15鄄15鄄15 的复合肥、尿素和硫酸钾,N 颐 P2O5 颐
K2O=1郾 4 颐 1郾 0 颐 2郾 0,氮肥用量为 210 kg N·hm-2 .
所有化肥均在播种时一次性基施,田间管理措施同
当地大田. 4 月 25 日播种,8 月 25 日收获.供试品种
为当地主栽的加工型马铃薯品种“大西洋冶,由条山
0803 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
农场提供.
1郾 3摇 样品采集
起垄前采集土壤基础土样,用于测定土壤的基
本理化性状.在块茎膨大期(7 月 30 日)采集植株样
品,每小区 15 株,用铁锹在尽量不破坏根系的前提
下将植株整株挖出,用剪刀将根系剪下,轻轻抖落土
壤后置入冰盒中用于根系生理活性的测定. 在收获
期(8 月 25 日)采集根际土壤样品,每小区 5 株,自
土壤中慢慢拔出根系,在无菌水中浸泡 20 min,洗去
粘附在根上的土壤,再用无菌水仔细刷洗根部,将残
留的土壤洗下来,无菌水中的部分为根际土壤[29],
将土样充分混合后装入无菌的聚乙烯袋中,保存在
-70 益冰箱中用于土壤总 DNA的提取.
1郾 4摇 测定项目与方法
1郾 4郾 1 土壤基本理化性状的测定摇 采用常规方法测
定土壤基本理化性状[30] .
1郾 4郾 2 土壤总 DNA 提取 摇 采用 Power SoilTM DNA
Isolation kit(MO BIO Laboratories, Inc, 美国)提取
土壤总 DNA,取 2 滋L,用 1%琼脂糖凝胶电泳检测
提取的 DNA质量.
1郾 4郾 3 PCR 扩增和变性梯度凝胶电泳(DGGE) 摇 采
用 BIO鄄RAD 公司的 S1000TM Thermal Cycle 型 PCR
仪,选用可扩增真菌 18S rRNA 部分片段通用引物
NS1 (5忆鄄GTAGTCATATGCTTGTCTC鄄3忆)和 GC鄄Fungi
(5忆鄄GC鄄clamp鄄ATTCCCCGTTACCCGTTG鄄3忆),其中,
GC鄄Fungi的 5忆端有一段约 40 bp的 GC夹 (5忆鄄CGC鄄
CCGCCGCGCCCCGCGCCCGGCCCGCCGCCCCCGCC鄄
CC鄄3忆),以提高 DGGE 的分离效果. PCR 反应体系、
反应条件以及 DGGE条件见文献[31].
1郾 4郾 4 DGGE条带的切胶回收与测序 摇 DGGE 条带
的切胶、回收和克隆方法见文献[32],将筛选到的
阳性克隆送至南京金斯瑞生物科技有限公司进行测
序.利用 Blast将所测得的序列与 GenBank中的序列
进行同源性比较.本研究得到的 26 个 18S rRNA 序
列已提交 GenBank 数据库,登录号为 JN166405 ~
JN166430.
1郾 4郾 5 马铃薯根系生理活性和产量的测定摇 马铃薯
根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法测定;根
系总吸收面积和根系活跃吸收面积采用甲烯蓝吸附
法测定;块茎产量于马铃薯成熟后分小区实测记产.
1郾 5摇 数据处理
采用 Excel 2003 和 SPSS 10. 0 软件进行数据统
计分析和作图,采用 Quantity One 4. 6. 2(BIO鄄RAD)
软件进行 DGGE图谱分析,用非加权组算术平均法
(UPGMA)进行聚类分析,采用 Duncan 新多变域测
验法进行方差分析和差异显著性检验(琢=0. 05).
2摇 结果与分析
2郾 1摇 土壤总 DNA的提取及 PCR扩增结果
将提取到的土壤总 DNA用琼脂糖凝胶进行电泳
(图 1),得到的片断大小约为 23 kb,以此为模板,采
用通用引物 NS1 / GC鄄Fungi 进行 PCR 扩增后得到预
期长度的 DNA片段,扩增产物长度为 370 bp(图 2).
2郾 2摇 土壤真菌种群结构的 DGGE指纹图谱分析
应用 DGGE技术分离真菌 18S rRNA 部分片段
PCR产物,根据 DGGE能分离长度相同而序列不同
DNA的原理,每一个条带大致与一个优势种群或操
作分类单元(Operational taxonomic unit, OTU)相对
应[33],采用 Quantity One 分析软件对 DGGE 图谱进
行初步统计 (图 3a)发现,不同连作年限土壤在
DGGE 图谱中电泳条带数目、强度和迁移率均存在
明显差异,L0中泳道条带数量最少,仅为 13 个 OTU,
所有连作处理的条带数量均多于对照(轮作),L1 ~
L5处理分别比 L0增加了 38郾 5% 、38郾 5% 、30郾 8% 、
46郾 2%和76郾 9% ,表明马铃薯连作对根际土壤真菌
图 1摇 土壤总 DNA琼脂糖凝胶电泳图谱
Fig. 1摇 Agarose gel electrophoresis of genomic DNA of soil sam鄄
ples.
M1:姿 hind 芋 marker. L0 ~ L5:连作 0 ~ 5 年 Continous cropping 0-5
years, respectively. 下同 The same below.
图 2摇 真菌 18S rRNA部分片段 PCR扩增结果
Fig. 2摇 Some fragments in fungi 18S rRNA PCR amplification.
M2:DL 2000 marker; C1, C2, C3:对照 Controls.
180311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 孟品品等: 连作马铃薯根际土壤真菌种群结构及其生物效应摇 摇 摇 摇
图 3摇 18S rRNA部分片段 DGGE 分离图谱(a)和泳道比较
图(b)
Fig. 3 摇 DGGE profile of 18S rRNA some fragments ( a) and
electrophoretic comparison chart (b).
的种群结构产生了明显影响,使根际土壤中真菌优
势种群的个体数明显增多.
根据泳道比较图(图 3b)可知,在不同连作年限
的土壤中,约有 6 个真菌优势种群在 L0 ~ L5中都有
分布(如箭头所示),这些种群属于生态幅比较广的
基本微生物类型,然而这些条带的荧光信号强度差
异较大,表明这些种群在数量上有一定的差别,从而
使它们在不同连作年限的根际土壤中所处的优势地
位发生了很大变化,最终表现为微生物种群结构具
有较高的空间异质性.
此外,从图 3b 上还可以看出,不同连作年限的
根际土壤间各有一些特有条带,条带 10 是 L2的特
征带,条带 1、2、3、19、27 是 L5的特征带,说明连作
改变了马铃薯根际土壤中真菌种群的构成,增加或
减少了一些种群类型.因此,这些条带的分布特征可
以说明在不同连作年限的土壤中既有共同的微生物
优势种群,也有自己独特的种群类型,形成了各自特
定生态位的种群结构.
对上述结果进行了聚类分析(图 4),结果表明,
6 个土壤样品可分为 4 大类,L1与 L2聚为一类,其相
似性最高,达到 73% ;L0单独为一类,与 L1、L2的相
似性为 58% ;L3与 L4以 65%的相似性聚为一类,与
L0 ~ L2的相似性为 56% ;L5单独为一类,与其他 5 个
处理的相似性只有 22% .表明相邻的连作年限间根
际土壤真菌种群结构的相似性较高,而随着连作年
限的增加,各处理间的相似性越来越低.这一结果与
连作马铃薯块茎产量变化趋势相似,块茎产量在
L0 ~ L2间的差异不显著,其后随着连作年限的增加,
L0 ~ L2块茎产量与 L3 ~ L5间的差异显著(图 5). 说
明连作对根际土壤真菌种群结构及其相似性的影
响,可能是导致连作马铃薯块茎产量降低的一个重
要原因.
2郾 3摇 真菌 DGGE条带基因片段测序分析
为了进一步了解连作条件下马铃薯根际土壤中
真菌种群结构的变化情况,对真菌 DGGE 分离凝胶
(图 3a)上标记的 26 条典型条带进行了切胶测序
(表 1).结果显示,条带 2鄄4、3鄄5 和 6鄄3 等 3 个条带
与尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)同源性较高,都
超过 98% ,条带 6鄄4 与茄病镰刀菌(F. solani)同源
性为100% . 其中,条带3鄄5的荧光信号强度随着连
图 4摇 土壤真菌 DGGE图谱聚类分析
Fig. 4摇 Clustering analysis of the DGGE patterns of soil fungi.
图 5摇 不同连作年限的马铃薯产量
Fig. 5摇 Yield of potato under different continuous cropping years
(mean依SD).
2803 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
表 1摇 测序克隆序列与其 GenBank最相似序列的比对结果
Table 1摇 Alignment of sequenced clone to its most similar GenBank sequence
条带
Band
GenBank登录号
GenBank
accession No.
碱基对序列
Base pairs
sequenced
最相近种属(GenBank登录号)
Closest related species
(GenBank accession No. )
相似性
Identity
(% )
比对
Alignment
1鄄1 JN166405 350 Piromyces sp. (HQ585900) 96 338 / 351
1鄄2 JN166406 351 Rhizoctonia solani (JF499071) 100 351 / 351
1鄄3 JN166407 346 Boeremia exigua var. (AB454232) 99 342 / 347
1鄄4 JN166408 346 Chaetomium globosum (HQ529774) 99 340 / 341
2鄄1 JN166409 356 Uncultured eukaryote (AB238121) 98 350 / 356
2鄄2 JN166410 356 Uncultured eukaryote (EF025015) 99 355 / 356
2鄄3 JN166411 351 Arthromyces matolae (EU708331) 98 347 / 351
2鄄4 JN166412 346 Fusarium oxysporum (HM152769) 99 339 / 342
2鄄5 JN166413 346 Chaetomium globosum (HQ529774) 99 340 / 341
3鄄1 JN166414 354 Uncultured Ichthyophonida (FJ236952) 95 340 / 356
3鄄2 JN166415 346 Uncultured fungus (DQ412120) 100 346 / 346
3鄄3 JN166416 346 Metarhizium anisopliae (HM135175) 100 341 / 341
3鄄4 JN166417 346 Geosmithia putterillii (AB032069) 96 329 / 342
3鄄5 JN166418 346 Fusarium oxysporum (AB110910) 100 341 / 341
4鄄1 JN166419 346 Microascus longirostris (DQ471026) 97 331 / 341
5鄄1 JN166420 346 Nectria cinnabarina (AB003949) 96 330 / 341
6鄄1 JN166421 346 Geosmithia putterillii (AB032069) 99 338 / 341
6鄄2 JN166422 356 Uncultured eukaryote (AB238121) 98 351 / 356
6鄄3 JN166423 346 Fusarium oxysporum (AB110910) 98 336 / 342
6鄄4 JN166424 346 Fusarium solani (EF397944) 99 338 / 341
6鄄5 JN166425 353 Sancassania polyphyllae (EU675635) 99 336 / 338
6鄄6 JN166426 346 Nectria cinnabarina (AB003949) 97 332 / 341
6鄄7 JN166427 346 Bionectria ochroleuca (GU112755) 99 340 / 341
6鄄8 JN166428 353 Sancassania polyphyllae (EU675635) 99 336 / 338
6鄄9 JN166429 353 Sancassania polyphyllae (EU675635) 99 336 / 338
6鄄10 JN166430 353 Sancassania polyphyllae (EU675635) 99 335 / 338
作年限的增加而增大,表明该种群密度大幅增加,而
条带 6鄄3 和条带 6鄄4 只在 L5处理中分离到.
根据上述结果,连作 5 年的 L5处理 OTU 比 L0
增加了 77% ,由测序结果可知,这些增加的优势种
群绝大部分都是镰刀菌(Fusarium). 镰刀菌是引起
马铃薯干腐病(枯萎病)的主要土传病害病原菌.在
本试验条件下,随着连作年限的增加,根际土壤镰刀
菌数量呈明显的上升趋势,说明连作使马铃薯根际
土壤中镰刀菌数量富集,这是连作导致马铃薯块茎
产量降低的重要原因,这与牛秀群等[6]的研究结果
一致.
条带 2鄄5 与球毛壳菌(Chaetomium globosum)的
同源性达到 99% ,作为一种生防菌,该菌对多种土
传、气传植物病害有防治作用,其防病机制主要是产
生抗生素和细胞壁降解酶[34],然而在本试验条件
下,连作 5 年,根际土壤中该种群数量明显减少,说
明在持续的连作条件下,马铃薯根际土壤中生防菌
数量呈减少趋势.
上述结果表明,马铃薯连作扩张了根际土壤中
土传病害病原菌的生态位宽度,使土传病害病原菌
在根际土壤中占据更多的生态位,从而侵占了有益
真菌的生态位,导致根际土壤中生防菌数量明显减
少,根际微生态环境恶化,进而可能会影响根系的生
长以及对水分和养分的吸收,最终会影响地上部的
生长和块茎的产量.
此外,条带 2鄄1、2鄄2、3鄄1、3鄄2 和 6鄄2 与数据库中
未获得纯培养的未知名的菌株之间具有较高的同源
性,其生理特性未知,要确定其种属和具体的生态功
能需要进一步研究. 在 L5处理中,条带 6鄄5、6鄄8、6鄄9
和 6鄄10 等 4 个条带与 Sancassania polyphyllae 的同
源性都为 99% ,属于螨虫类.目前,关于螨虫类对马
铃薯生长发育的影响报道较少.
2郾 4摇 连作对马铃薯根系生理活性的影响
马铃薯根系发育不良或生理功能失调,会严重
影响整株的生长发育[35] .根系是根际微生态系统的
重要成员,马铃薯连作条件下根际土壤真菌种群结
构的变化,势必导致其根际微生态环境恶化.为了探
明根际镰刀菌等病原菌大量积累和生防菌减少对根
380311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 孟品品等: 连作马铃薯根际土壤真菌种群结构及其生物效应摇 摇 摇 摇
表 2摇 连作对马铃薯根系生理活性的影响
Table 2摇 Effects of continuous cropping on physiological ac鄄
tivities of potato root (mean依SD)
处理
Treat鄄
ment
根系总吸收面积
Total absorbing
area of roots
(m2)
根系活跃
吸收面积
Actively absorbing
area of roots
(m2)
根系活力
Root vigor
(滋g·g-1·h-1)
L0 3. 21依0. 32a 2. 05依0. 14a 123. 97依7. 21a
L1 2. 76依0. 04b 1. 91依0. 12ab 119. 26依1. 47a
L2 2. 62依0. 11b 1. 72依0. 36b 117. 46依3. 91a
L3 0. 72依0. 08c 0. 43依0. 02c 43. 79依5. 56b
L4 0. 64依0. 04c 0. 30依0. 09c 38. 07依1. 16b
L5 0. 27依0. 01d 0. 16依0. 10c 20. 51依0. 80c
L0 ~ L5:连作 0 ~ 5 年 Continous cropping 0-5 years, respectively. 同列
不同小写字母表示处理间差异显著(P<0. 05) Different small letters
in the same column indicated significant difference at 0. 05 level.
系生长、代谢的影响,测定了不同连作年限条件下马
铃薯植株的根系生理活性变化.
从表 2 可以看出,根系生理活性各指标均随着
连作年限的增加而降低,而且连作年限越长,其降幅
越大.与 L0相比,L1 ~ L5处理根系总吸收面积分别
降低 14. 0% 、18. 4% 、77. 6% 、80. 1%和 91. 6% ;根
系活跃吸收面积分别降低 6. 8% 、16. 1% 、79. 0% 、
85. 4%和 92. 2% ;根系活力分别降低 3. 8% 、5. 3% 、
64. 7% 、69. 3%和 83. 7% .方差分析表明,根系生理
活性各指标在 L0 ~ L2处理间差异不显著,至 L3时,
均显著降低.说明在本试验条件下,连作 2 年以下对
马铃薯根系生理活性无显著影响,而连作 3 年以上
会显著降低根系的吸收能力和范围,从而导致根系
生理功能失调.
2郾 5摇 连作对马铃薯产量的影响
从图 5 可以看出,连作显著降低了马铃薯的块
茎产量. L0 ~ L2处理间产量差异不显著,至 L3时,产
量显著降低. 与 L0相比,L3 ~ L5处理产量分别降低
45. 4% 、56. 2%和 56. 4% . 说明马铃薯连作的阈值
为 3 年,连作 2 年以下对马铃薯产量无显著影响,而
连作 3 年以上会严重降低块茎产量,这与各连作年
限间根际土壤真菌种群结构相似性和根系生理活性
的结果一致.由此可见,在本试验条件下,连作导致
的马铃薯根际土壤中镰刀菌等土传病害真菌的大量
积累以及根系生理活性的降低,是导致块茎产量大
幅度降低的根本原因,其机理有待于进一步的研究.
3摇 讨摇 摇 论
根际微生态系统是植物鄄土壤鄄微生物及其环境
相互作用并发挥系统功能的有机组合,其中土壤微
生物是植物根际微生态系统的重要组成部分,是维
持土壤生产力的重要组分,同时微生物种群结构极
易受土壤环境变化的影响,因而是评价自然或人为
干扰引起土壤质量变化的重要指标[36-37] .
本研究首次采用 PCR鄄DGGE 技术对不同连作
年限条件下马铃薯根际土壤中真菌种群结构的变化
进行了分析,结果表明,马铃薯连作对根际土壤真菌
种群结构产生了明显影响,使根际土壤中真菌优势
种群的个体数明显增多,一些优势种群在不同连作
年限的根际土壤中所处的优势地位发生了很大变
化,因此马铃薯连作会造成根际土壤微生物的选择
性适应,出现某些种群富集而另一些种群数量降低
的现象[38] .聚类分析结果表明,相邻的连作年限间
根际土壤真菌种群结构的相似性较高,而随着连作
年限的增加,处理间的相似性越来越低,这一结果与
马铃薯块茎产量变化趋势相似,说明连作对根际土
壤真菌种群结构及其相似性的影响,可能是导致马
铃薯块茎产量降低的一个重要原因.
由测序结果可知,马铃薯连作使某些优势种群
富集,这其中绝大部分是镰刀菌等土传病害真菌.有
研究表明,在甘肃省由接骨木镰刀菌(Fusarium sam鄄
bucinum)等病原菌引起的干腐病是马铃薯种植和贮
藏过程中发生的重要病害之一,在病薯中所占比例
较高,导致马铃薯块茎的商品薯率大幅下降,严重影
响其经济和食用价值[27,39],而生防菌球毛壳菌的数
量在持续的连作条件下呈现减少趋势.马云华等[40]
研究发现,随着连作年限的增加,黄瓜根区土壤中尖
孢镰刀菌(引起黄瓜枯萎病)成为优势真菌生理群.
李坤等[18]研究表明,连作葡萄园根围土壤中 Pilidi鄄
um acerinum种群数量增多,这可能与葡萄连作后病
害加重有关.在本试验条件下,马铃薯连作使根际土
壤中土传病害真菌种群过渡成为优势微生物种群,
破坏了根际微生物种群平衡,造成根际微生态环境
恶化.
植物根系和土壤紧密接触,形成了变异性很大
的土壤微区,马铃薯根际微生态环境恶化,造成根系
生长环境变差,在持续的连作条件下,必将对植株的
生长发育产生影响.在本研究中,马铃薯根系生理活
性各指标均随着连作年限的增加而降低,连作 2 年
以下对马铃薯根系生理活性无显著影响,而连作 3
年以上会显著降低根系的吸收能力和范围,最终导
致块茎产量大幅度下降,这与前人的研究结果[41-42]
基本一致.
马铃薯植株地下茎上着生根系、匍匐茎和块茎,
植株形成块茎数量的多少,主要取决于地下茎上形
4803 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 23 卷
成的匍匐茎数和匍匐茎形成块茎的条件[43] . 在大
田取样过程中,发现随着连作年限的增加,马铃薯地
下茎逐渐缩短,颜色变褐,地下茎缩短导致不能长出
足够数量的匍匐茎,而颜色变褐可能是有害微生物
的代谢产物引起的.胡江春和王书锦[44]从连作大豆
土壤中分离出一种影响大豆共生固氮的青霉菌———
紫青霉(Pecicillim puthempum),其代谢产物毒素结
晶在 30 滋g·mL-1水培液里可引起大豆根系褐变.
因此,马铃薯连作使根际微生态环境恶化,不仅影响
了根系正常的生理活性,还可能影响到整个地下茎
的形态建成,其具体原因还需要进一步研究.
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作者简介摇 孟品品,男,1986 年生,硕士研究生.主要从事逆
境胁迫与植物营养研究. E鄄mail: menglingpin@ 163. com
责任编辑摇 孙摇 菊
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