《Physiological and Molecular Plant Pathology》：An exploration of the continuous cropping obstacle in
Gastrodia elata Bl.: Insights from the soil micro-ecology
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天麻连续种植导致土壤酸化（pH下降9.40%）、酶活性变化（过氧化氢酶和蔗糖酶先升后降，脲酶活性持续抑制）及微生物群落结构失衡，优势真菌门（Basidiomycota、Ascomycota）和细菌门（Proteobacteria）丰度随种植年限增加呈现波动，关键微生物（如Rozellomycota、Sphingomonas等）与土壤理化性质及酶活性显著相关，揭示连作障碍的微生物-土壤互作机制。
李婷|杨定茂|李波|焦红红
由陕西省与教育部共同建设的中药资源产业化协同创新中心，位于中国咸阳的陕西中医学院，邮编712000
摘要
连续种植天麻（Gastrodia elata Bl.）会导致产量和品质下降。为阐明这一现象的微生物学原因，我们分析了不同种植时间（未种植，ZNT；种植半年，ZST；连续种植一年，ZT1；连续种植两年，ZT2；以及连续种植三年，ZT3）对天麻根际土壤养分含量、酶活性和微生物群落结构的影响，并探讨了这些因素之间的相关性。结果表明，与ZNT相比，连续种植显著降低了土壤酸度，ZT3组的pH值下降了9.40%。过氧化氢酶和蔗糖酶的活性最初有所增加，但随后下降，而尿素酶的活性则持续受到抑制（在ZT3组中下降了52.36%）。长期连续种植（ZT3）还显著提高了谷氨酰胺酶和尿酸酶的活性。连续种植改变了根际微生物群落的组成和多样性。在种植天麻六个月后，担子菌门和子囊菌门等真菌门类的相对丰度增加，但在长期种植后急剧下降。相关性分析显示，许多真菌（Rozellomycota_gen_Incertae_sedis、Staphylotrichum和Trapelia）以及细菌（Sphingomonas、Burkholderia、Caballeronia和Paraburkholderia）与土壤性质和酶活性之间存在强烈关联，表明不同属的微生物反应各不相同。这些发现表明，连续种植天麻通过改变土壤理化性质驱动了根际微生物群落的演替，可能导致微生物失衡。这些发现有助于我们理解天麻连续种植所面临的障碍，并为制定缓解这些挑战的策略奠定基础。
引言
G. elata Bl. 是一种完全依赖菌根异养的多年生兰花（兰科植物），其种子萌发需要Mycena spp.，而养分获取则完全依赖于共生的Armillaria物种[1,2]。其干燥的根茎富含多种有价值的生物活性化合物，如天麻素、天麻多糖、羟基苯甲醇、有机酸、甾醇和氨基酸。它在传统中医中一直备受重视[3]。由于其有限的林地资源，通常采用连续种植的方式来进行栽培。然而，长期连续种植会导致土壤养分耗竭、土壤酶活性变化以及土壤微生物群落改变，从而破坏微生态系统[4]，最终降低天麻的产量和品质。尽管开垦新土地已成为农民的常见选择，但随后的三年休耕期[5]会导致森林资源的严重浪费，给产业带来资源枯竭和土地闲置的双重困境。
土壤为植物生长提供了必要的基质和养分[6]。理想的土壤养分条件对提高天麻的产量和品质至关重要[7]。此外，土壤酶在养分循环和物质转化中起着关键作用，有助于维持土壤健康并促进有机物分解[8,9]。研究表明，连续种植Panax notoginseng后，土壤中的过氧化氢酶、尿素酶、酸性磷酸酶和蔗糖酶活性显著下降，影响土壤养分循环并导致微生态失衡[10]。然而，关于连续种植G. elata后土壤养分和酶的动态变化尚未得到广泛研究。
植物微生物也是植物基因组中第二大组成部分，在植物生命过程中发挥着重要作用[11]。它们促进植物生长和发育，提高养分利用率，并增强对生物和非生物胁迫的耐受性。此外，它们还能促进植物次生代谢产物的积累，从而提高产量[12],[13],[14]。最近的研究强调了连续种植对土壤微生物群落结构的破坏作用。例如，连续种植Rehmannia glutinosa显著降低了放线菌门、绿弯菌门和担子菌门的相对丰度，同时增加了Fusarium的数量[15]。同样，连续种植P. notoginseng会重组细菌和真菌群落结构，严重限制其产量和品质[10]。此外，土壤微生物群落的变化直接影响酶活性，进而影响养分的循环和植物的吸收。陈等人报告称，连续种植人参对生长缓慢的根际细菌（如Sphingomonas、Bacillus和Rhizobium）影响更大，土壤理化性质（氮水解）和酶活性（酸性磷酸酶活性）是关键决定因素[16]。他们认为，与土壤性质相关的细菌群落是单一种植实践影响的良好生物指标。因此，全面分析连续种植对根际土壤微生物群落多样性和功能的影响非常重要，以了解连续种植天麻如何影响根际微生物，进而改变土壤养分并降低天麻的品质。
近年来，高通量测序技术被广泛用于评估连续种植对多种植物土壤微生物多样性和功能的影响，为缓解种植障碍提供了科学依据[4,17]。在关于G. elata的研究中，叶等人进行了为期两年的土壤细菌群落研究，发现短期单一种植显著改变了细菌结构和功能。这种微生物扰动在第一年出现，并持续到第二年[5]。然而，该研究仅关注了两年内的细菌群落动态，未能阐明长期（≥3年）连续种植对土壤微生物（包括真菌群落）的持续影响。此外，现有研究尚未系统地阐明G. elata连续种植系统中微生物群落演替、土壤理化性质和酶活性之间的相互作用——这是理解连续种植形成机制的关键因素。在本研究中，我们收集了不同种植时间下的G. elata植物根际土壤样本，分析了1）不同种植年份对根际土壤微生物群落功能和结构的影响；2）不同种植年份对土壤理化性质和土壤酶活性的影响；3）根际土壤微生物与土壤理化性质和酶活性之间的相关性。本研究阐明了G. elata在连续种植条件下的微生物组装模式及其响应机制，揭示了由土壤养分调节和土壤酶活性驱动的生态演替过程。此外，该研究为优化G. elata种植、抑制土传病害以及建立改善土壤健康的管理策略提供了科学依据。
实验设计与样本采集
本研究在陕西省安康市紫阳县瓦庙村（32°33′N, 108°19′E）的紫阳种植基地进行。该地区属于亚热带湿润季风气候，平均气温为15°C，年平均降水量为1000毫米。G. elata的种植始于2022年2月，收获时间为2024年11月。所选试验田之前从未用于种植G. elata。土壤样本取自五个区域
不同种植年份对土壤理化性质的影响
连续种植G. elata改变了土壤的理化性质。与ZNT组相比，ZST、ZT1、ZT2和ZT3组的总钾含量最初有所增加，但随后下降，但仍保持较高水平。ZT1组土壤的总钾含量最高，为4.727 ± 0.3050 g/kg。土壤中的总磷含量下降，其中ZNT组的总磷含量最高，下降了3.06%
讨论
土壤理化性质和酶活性对土壤健康、水分的有效控制、养分循环和根系扩展至关重要。这些因素直接影响农业生产和环境健康。连续种植已被证明会破坏土壤的理化平衡，改变酶活性水平并重塑微生物群落结构，从而增加作物病害的发生率，降低作物产量和品质[17,18]。
结论
本研究系统地揭示了连续种植G. elata对根际土壤微生物组的深远影响。结果表明，连续种植导致土壤理化性质恶化，具体表现为土壤pH值显著下降（酸化）和总氮含量剧烈波动。这种化学环境对土壤微生物极为不利，是导致连续种植的重要非生物因素。
作者贡献声明
李婷：撰写原始稿件、方法学设计、数据分析。杨定茂：方法学设计、数据管理。李波：资源协调。焦红红：方法学设计、数据管理。
资金支持
文章中提到的资金来源和国家名称包括：中国陕西省重点研发计划（2024NC-LSTD-099）；中国国家重点研发计划（2022YFD1602004）；中国陕西省教育厅（24JK0410）；陕西中医学院（171020324023）。利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
