宿根和氮肥对不同基因型甘蔗根际细菌群落组成和结构的影响

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根际微生物群落与根系间相互作用直接影响作物产量,甘蔗作为重要糖料和可再生能源作物,探究其根际细菌群落变化对产量的影响具有实际应用意义。然而,目前仍缺少对宿根及施氮条件对不同基因型甘蔗根际微生物群的相关研究。本研究以田间试验为基础,结合宿根与不同施氮条件进行连续试验,分析不同基因型甘蔗根际微生物群落变化趋势及其对甘蔗产量和糖分的影响。主要研究结果如下:(1)2019年田间试验,确定不同甘蔗品种对根际微生物群落变化的影响,结果表明,18个栽培品种根际微生物群落基本相同,但所试验的基因型根际室操作单元丰度与细菌组成方面存在较大差异。Alpha多样性分析表明,细菌多样性指数(Shannon index,P<0.001)与OUT丰度(Chao1,P<0.001)存在显著差异。主成分分析(PCo A)显示基因型间聚合度高,说明其具有相似性。各基因型在根系结构与土壤性状存在差异,除根深深度(P<0.05)外,不同基因型间根系性状与土壤化学性质存在较大差异。此外,总根长(TRL)和生根深度直接影响蔗糖含量,FN-1702,GUC-3,ZZ-13,ZZ-10,ZZ-6等基因型表现最佳,具体表现在细菌多样性、根系结构、土壤参数和蔗糖含量。(2)2020年继续进行宿根试验,评价ZZ-1与ZZ-13宿根蔗对根际微生物群落与甘蔗形态特征的影响,并发现其产生显著变化。宿根蔗中Burkholderia,Sphingomonas,Bradyzhizobium与Acidothermus等四种菌更利于甘蔗生长。与ZZ-1相比,ZZ-13根际微生物群落变化更大,提供更利于甘蔗生长的根际环境。除速效钾外,根际土壤化学性质存在显著差异(P<0.05),2020年土壤养分较2019年有明显增长。ZZ-13在根数、总根长和根深三方面表现更佳,宿根蔗酶活性增加,但差异不显著。基因型和年份之间的有效茎数存在显著差异,基因型、年份和基因型×年份的产量差异也达到显著。除株高和糖分含量外,甘蔗形态性状差异也显著(P<0.05)。相较与2019年,ZZ-13与ZZ-1单茎重量分别提高9.33%与25.8%,但蔗茎产量分别下降21%和5%。(3)基于前两年试验结果,于2021年进行宿根试验,进一步探讨ZZ-13基因型在不同施氮水平下根际微生物群落、土壤理化性状与产量的变化趋势,并总结适用于广西区域的施氮方案。本研究共提出三种施氮方案:对照(CK,no fertilizers),低氮(L,100 N kg ha-1),中氮(M,150 N kg ha-1)与高氮(H,200 N kg ha-1)。结果表明,与对照相比,中氮对根际细菌群落、土壤性状和甘蔗产量存在显著影响,细菌群落丰富度与均匀度高于对照,酸杆菌门和变形杆菌门分别增加47%与71%,在属水平上,温酸菌和慢生根瘤菌分别增加77.2%与30.3%。主成分分析(PCA)和聚类分析进一步验证不同方案间存在差异性。Spearmen相关热图表明,p H,有效磷(Available Phosphorous),有效钾(Available Potassium)和土壤过氧化氢酶(Soil Catalase)是甘蔗根际微生物群落组成的主要影响因素;同时,中氮条件下,甘蔗节数、株高和含糖量均比对照较增加15.66%、7.66%和6%。低氮条件下,甘蔗节数同样显著增加。此外,与不施氮的对照相比,中氮施肥水平下具有最高产量,其变化范围在4%-25%之间;相较于不施氮的对照,高氮与中氮的p H值分别提高29%与10%。尤其是在中氮条件下,SOC,AN,AP和AK分别比对照提高了35.8%,25.9%,13.4%和9.54%,SCAT,SUE和SACP酶活性分别提高90.8%,67.75%和43.05%。总体而言,中等施氮量(Medium,150 N kg ha-1)更有利于增加甘蔗根际微生物稳定性,提高甘蔗产量。综上,本研究深入探讨甘蔗根际细菌群落的变化及其与甘蔗生长、产量和糖分的关系,揭示了有效保持/提高甘蔗产量且加强微生物群间的相互作用。
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