比较宏基因组学揭示单作与大豆轮作胡萝卜根际微生物组群落结构与多样性差异

本研究通过宏基因组测序技术，比较分析了单作胡萝卜与大豆轮作胡萝卜根际微生物组的组成差异。研究人员发现大豆轮作显著提升了Pseudomonadota、Bradyrhizobium等有益菌群的丰度，并首次在轮作体系中检测到Rhodococcus的特异性定植。研究证实土壤质地（粉砂占比84.2%）、总氮（83.2%）等理化特性驱动微生物群落构建，为优化轮作制度提升土壤健康提供了理论依据。

　　

在农业可持续发展的全球议题下，土壤微生物组被称为"植物的第二基因组"，其群落结构直接影响作物产量和生态系统功能。然而，长期单作导致的土壤微生物多样性下降、养分循环失衡等问题日益凸显，而轮作体系对根际微生物组的调控机制仍不明确。尤其对于胡萝卜（Daucus carota L.）这类重要根茎作物，其根际核心微生物组的组成特征及其与不同种植制度的关联尚属研究空白。

针对这一科学问题，南非西北大学（North-West University）食品与安全重点实验室的Alaba Adewole Adebayo团队在《Scientific Reports》发表了创新性研究。研究人员采用Illumina X Plus平台进行宏基因组测序，对比分析了单作胡萝卜（MCR）、大豆轮作胡萝卜（SCR）及未耕作土壤（BS）的12份样本。通过DIAMOND(v2.1.9)注释和MEGAN(v6.8.20)分析，结合土壤理化性质测定，系统解析了不同种植制度下根际微生物组的响应规律。

研究首先通过α多样性指数（Shannon=6.18±0.18）证实大豆轮作体系显著提升了微生物丰富度。PCA分析显示Pseudomonadota在SCR中特异性富集（14.69% vs 单作11.05%），而Actinomycetota在MCR中占优（15.15%）。引人注目的是，固氮菌Bradyrhizobium（0.78%）、有机质降解菌Rhodococcus（仅见于SCR）等关键功能菌群在大豆轮作体系中表现出显著优势。

代谢功能分析揭示SCR样本中碳氮水解酶（carbon-nitrogen hydrolase）、亚硝酸还原酶（nitrite reductase）等通路活性显著增强（p<0.05）。冗余分析（RDA）进一步表明，粉砂质地（贡献率84.2%）、总氮（83.2%）和有机碳（81.0%）是驱动微生物群落构建的核心环境因子。例如Sand含量与Sphingomonas呈强正相关（r=1），而与Solirubrobacter呈负相关（r=-0.99）。

该研究首次系统阐明了作物轮作通过改变土壤理化特性（如钙含量提升至70.05±1.28%）重塑根际微生物组的机制。特别揭示了大豆作为前茬作物通过遗留根际效应（rhizosphere legacy）促进有益菌群定植的规律，为设计基于微生物组的可持续农业方案提供了理论支撑。研究提出的"大豆-胡萝卜"轮作模式，不仅能缓解单作障碍，其鉴定的核心功能菌群（如Rhodococcus）更为开发生物肥料提供了候选菌种资源。这些发现对实现《2030年科学突破计划》中提出的"通过微生物组调控提升农业生产力"目标具有重要实践意义。