多年生Kernza作物通过促进根际微生物组稳定性和内生菌招募增强农业可持续性

《Environmental Microbiome》：Perennial Kernza cropping promotes rhizosphere microbiome stability and endophyte recruitment compared to annual wheat

本研究针对农业集约化导致的土壤微生物多样性下降问题，通过比较多年生Kernza小麦与一年生小麦在欧洲不同气候梯度下的根际微生物群落，发现Kernza能显著提高根际微生物组稳定性、增加核心ASVs数量并促进内生菌招募。该研究为利用多年生作物改善土壤健康提供了重要微生物学证据，对推动可持续农业发展具有重要意义。

　　

随着全球人口持续增长，农业用地已覆盖地球陆地面积的38%，但农业集约化却带来了气候变化、生物多样性丧失和土壤肥力下降等一系列严峻挑战。在这一背景下，如何通过创新耕作方式实现粮食生产与生态保护的平衡，成为科学家们亟需解决的重要课题。传统一年生作物系统由于频繁的土壤扰动和短暂的植被覆盖期，往往导致土壤微生物群落稳定性差，进而影响土壤健康和生产可持续性。而多年生作物系统因其持续的地上植被覆盖和发达的根系网络，被认为具有改善土壤微生物群落结构和功能的潜力。

在这项发表于《Environmental Microbiome》的研究中，研究人员针对多年生谷物作物Kernza（中间偃麦草，Thinopyrum intermedium）与一年生小麦（Triticum aestivum）的根际微生物组进行了系统比较。研究团队在欧洲南北气候梯度上的三个国家（瑞典、比利时和法国）的试验点，历时两个生长季节，在两个土壤深度（5-15 cm和25-35 cm）采集样本，利用16S rRNA基因扩增子测序技术深入分析了根际细菌群落结构和内生菌招募模式。

研究采用的主要技术方法包括：在欧洲三个国家的田间试验点进行系统采样设计，使用Illumina MiSeq平台对16S rRNA基因V4区进行扩增子测序，通过QIIME2和R语言进行生物信息学分析，采用指示物种分析鉴定作物相关ASVs，利用AgroEcoDB数据库进行环境广关联分析，并通过Bray-Curtis相异度评估群落稳定性。

趋势分析显示根际微生物组的α和β多样性

研究结果显示，Kernza和一年生小麦的根际细菌群落整体结构高度相似，α多样性（包括Shannon、Simpson、Chao1和观察物种数）在两种作物间无显著差异。β多样性分析表明，国家（代表不同农业气候条件）是解释群落变异的最大因素（R²=0.083），其次是年份（R²=0.027）和土壤深度（R²=0.025），而作物类型的影响相对较小。

作物相关和核心根际细菌及内生菌比较

在门水平上，两种作物的根际细菌群落组成高度相似，最优势的菌门均为放线菌门（Actinobacteriota）、酸杆菌门（Acidobacteriota）、假单胞菌门（Pseudomonadota）和绿弯菌门（Chloroflexota）。然而，指示物种分析鉴定出115个Kernza相关ASVs和54个一年生小麦相关ASVs。核心微生物组分析显示，Kernza拥有31个核心ASVs，而一年生小麦仅有20个，其中19个为两者共有。

作物类型对深层根际微生物组的影响

研究发现，Kernza在不同深度的根际微生物组具有更高的同质性，其5-15 cm和25-35 cm深度的Bray-Curtis平均相异度（μ_D）无显著差异（μ_D=0.61 vs 0.62）。而一年生小麦在深层土壤中的微生物组异质性显著更高（μ_D=0.71），表明Kernza的深层根系对微生物群落产生了更强的均质化影响。

作物类型对根际微生物组时间稳定性的影响

Kernza根际微生物组在年际间表现出更高的稳定性，其年际Bray-Curtis相异度（μ_D=0.62）显著低于一年生小麦（μ_D=0.67）。ASVs相对丰度的年际变化分析进一步证实，Kernza根际微生物组的平均变化幅度比一年生小麦低12.0%，表明多年生作物的连续根系确实有助于维持微生物群落的时序稳定性。

内生菌种群分析

内生菌群落的α多样性显著低于根际细菌群落，且两者在组成上存在明显差异。相关性分析显示，根际ASVs的相对丰度与内生菌丰度之间仅存在弱相关（r=0.15），说明根际适应性对内生菌定殖成功的预测能力有限。虽然Kernza从根际招募的总ASVs数量略高于一年生小麦，但在田间尺度上的平均招募数量无显著差异。

环境广关联分析

通过AgroEcoDB数据库的比对发现，Kernza根际微生物组中与草地土壤和根际环境相关的ASVs比例显著高于一年生小麦。这一结果支持了Kernza田块与草地生态系统在微生物组成上具有相似性的观点，为多年生作物系统模拟自然草地生态功能提供了证据。

研究结论表明，虽然Kernza和一年生小麦的根际微生物组在整体结构上高度相似，但Kernza在微生物组稳定性、核心物种多样性和内生菌招募方面展现出明显优势。这些差异虽然在数量上较为温和，但在生态学上具有重要意义，表明多年生作物系统能够通过维持更稳定的微生物群落来支持可持续的土壤功能。特别值得注意的是，Kernza系统含有更高比例的草地相关类群，这为利用多年生作物模拟自然草地生态功能、促进农业生态系统可持续发展提供了微生物学依据。

该研究的发现对指导多年生作物的育种和栽培实践具有重要价值。未来研究可进一步探索Kernza特异性微生物组功能的生态意义，以及如何通过育种策略优化作物与微生物的互作关系，从而最大程度地发挥多年生作物系统的生态服务功能。