玉米轮作频率调控真菌功能促进大豆可持续生产的机制研究

《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》：Frequency-dependent maize rotation modulates fungal functions for sustainable soybean production

本研究针对长期连作导致大豆减产和土传病害加剧的难题，通过12年田间试验揭示了玉米-大豆轮作频率通过调控土壤真菌功能与微生物网络互作影响大豆产量的机制。研究发现，玉米-大豆轮作（MS）虽提升腐生和病原真菌丰度，但两年玉米-一年大豆轮作（MMS）可稳定真菌功能并抑制病原菌积累；连续大豆（CS）系统则富集共生真菌并形成病害抑制潜力。研究首次系统解析了轮作系统特异性微生物类群与真菌功能的关联，为优化作物轮作模式提供了微生物学依据。

　　

在东北黑土地上，大豆作为重要的粮油饲作物，却因长期连作陷入“增产瓶颈”——土壤养分失衡、病原菌滋生、产量逐年下滑。为破解这一难题，科学家们开始探索玉米-大豆轮作这一经典农业措施背后的微生物奥秘。究竟玉米插入轮作的频率如何影响土壤真菌的功能平衡？不同轮作系统是否会塑造特有的微生物“核心团队”？这些微生物变化又如何牵动大豆的最终产量？

为回答这些问题，袁明与王天舒等研究人员在《Chemical and Biological Technologies in Agriculture》发表了一项历时12年的田间研究。他们设计了三种种植模式：连续大豆（CS）、玉米-大豆年度轮作（MS）和两年玉米-一年大豆轮作（MMS），通过高通量测序和网络分析，揭示了玉米轮作频率通过调控真菌功能与微生物互作影响大豆产量的微观机制。

关键技术方法概述

研究依托2011年建立的田间定位试验，在2020–2022年采集土壤样本，提取DNA后对细菌16S rRNA基因V3–V4区和真菌ITS1区进行扩增子测序。通过FUNGuild数据库进行真菌功能预测，利用共现网络分析识别关键物种，并结合随机森林模型解析微生物类群与产量的关联。

研究结果

1. 真菌群落结构对轮作系统的响应

轮作系统是驱动真菌群落变化的主导因素（解释64%变异），年份影响仅占4%。CS和MMS系统显著提高真菌丰富度，而MS系统降低香农多样性。在属水平上，CS系统富集青霉属（Penicillium）等有益菌，而MS和MMS系统降低腐霉属（Mortierella）丰度。

2. 真菌功能群的重构

轮作系统对真菌功能的影响远超年份（解释76%变异）。MS系统显著增加病原营养型和腐生营养型真菌比例，降低共生营养型真菌；CS系统则富集共生真菌和软腐分解菌，且未出现病原菌累积现象。MMS系统有效抑制病原菌增殖，维持功能平衡。

3. 系统特异性微生物类群的识别

CS系统筛选出23个真菌特异性富集ASV（seASV），以子囊菌门（Ascomycota）腐生菌为主；MMS系统富集11个真菌seASV，包括具养分循环潜力的Mortierellales；MS系统seASV数量最少，表明年度作物切换导致微生物群落波动。

4. 微生物网络互作的特征

玉米引入（MS、MMS）显著增强细菌-真菌跨界网络复杂性，而CS系统真菌-真菌互作更强。MMS系统细菌间正相关性最高（65.4%），可能通过微生物协作抑制病原菌。

5. 微生物-功能-产量的联动机制

随机森林模型显示，假单胞菌目（Pseudomonadales）ASV_2891和柔膜菌目（Helotiales）ASV_16等类群与病原菌负相关、与腐生菌正相关，直接关联大豆增产。MMS系统通过富集此类有益类群实现最高产量。

结论与展望

研究首次阐明玉米轮作频率通过“微生物功能重塑–网络互作–产量调控”链条影响大豆生产的机制。MMS系统通过延长玉米种植周期阻断病原菌积累，并筛选出兼具促生与抑病功能的微生物核心类群。这一发现为设计“微生态智能轮作模式”提供了新思路，未来可结合微生物接种技术定向优化土壤功能，推动农业可持续发展。值得注意的是，本研究聚焦大田土壤，后续需结合根际微生物分析进一步验证类群功能，并在不同土壤类型中验证普适性。