《Agronomy》：Microbial Metagenomics Evidence Reveals Forest Soil Amendment Contributes to Increased Sugarcane Yields in Long-Term Cropping Systems
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本研究通过宏基因组学分析，揭示长期连作导致土壤微生物群落结构破坏和功能退化，而森林土壤改良可有效恢复微生物多样性（Alpha多样性）和群落结构（Beta多样性），显著提升碳水化合物代谢（COG2814）、能量代谢等关键功能基因丰度，并降低抗生素抗性基因（ARGs）和毒力因子（VFs），为可持续农业提供自然解决方案。
引言
现代农业中长期连作虽能提高土地利用率，却导致土壤退化、养分失衡及微生物群落紊乱。寻找有效土壤改良策略对恢复土壤健康至关重要。本研究探讨森林土壤改良对长期连作土壤微生物群落结构、多样性及功能潜力的影响，通过宏基因组学分析自然森林土壤（BK）、森林土壤改良土壤（BCP）、15年连作（CP15）和30年连作（CP30）土壤，为可持续农业提供理论依据。
材料与方法
土壤采样与实验设计
在云南农业科学院甘蔗研究所实验田（红壤，海拔1319米）设置四种处理：BK、BCP（CP30土壤添加5厘米厚森林土壤）、CP15和CP30。2024年8月采集0-20厘米表层土壤，每个处理5个重复，液氮速冻后-80°C保存用于DNA提取。
DNA提取与宏基因组测序
使用OMEGA Soil DNA Kit提取DNA，Illumina Hiseq 2000平台进行PE150测序。原始数据经FastQC质控、Trimmomatic去接头，SPAdes组装后通过MetaPhlAn和QIIME进行物种注释及多样性分析。
数据处理与注释
基因集通过DIAMOND比对NR数据库进行物种注释，KEGG数据库进行功能通路注释，CARD数据库分析抗生素抗性基因（ARGs），VFDB数据库注释毒力因子（VFs）。统计采用ANOVA和Kruskal-Wallis检验，NMDS分析群落结构差异。
结果
森林土壤改良对微生物群落的影响
层次聚类显示BK与BCP群落结构相似，而CP15和CP30明显分离。Alpha多样性（Sobs指数）表明BCP显著恢复微生物多样性至接近BK水平。NMDS分析（Stress=0.100, R=0.724, p=0.001）进一步证实BCP与BK聚类，连作土壤群落结构偏离。
微生物群落组成变化
韦恩图显示CP30特有物种最多（1618个，占3.97%），BCP与BK共享物种数高。门水平上，放线菌门（Actinobacterota）在BK和BCP中占比最高，酸杆菌门（Acidobacteriota）等在连作土壤中显著减少。属水平如Nocardioides、Gaiella等有益菌在BCP中恢复。Kruskal-Wallis检验表明放线菌门、酸杆菌门等关键类群在BCP与BK中丰度显著高于连作组。
微生物功能基因组成
COG注释显示BCP与BK共有功能基因数最多，CP30特有基因达1618个。BCP中碳水化合物转运代谢（COG2814）、细胞壁合成（COG0438）、信号转导（COG0642）等功能基因丰度显著高于连作组，接近BK水平。KEGG Level 2通路中，BCP的碳水化合物代谢、能量代谢等通路基因丰度显著提升。
功能通路、抗性基因与毒力因子
KEGG分析显示连作土壤特有功能类别增多，BCP恢复核心代谢通路。ARGs分析中，CP15和CP30的抗生素外排、靶位修饰等机制丰度显著升高，BCP则显著降低至BK水平。毒力因子如PDIM、极鞭毛等在连作组富集，BCP中明显抑制。
讨论
长期连作对微生物群落结构与功能的破坏
连作导致微生物多样性丧失及群落结构紊乱，有益菌群如酸杆菌门减少，功能基因涉及碳氮循环、有机物降解等途径受损。ARGs和VFs的积累增加土壤生态风险，凸显连作对土壤健康的长期负面影响。
森林土壤改良恢复微生物功能潜力
BCP通过引入森林土壤的有机质及微生物资源，快速恢复群落多样性及代谢功能。关键功能基因如能量代谢（COG2226）、辅酶转运（COG0596）等丰度提升，同时抑制ARGs和VFs，体现其协同改善土壤生物安全性的潜力。这种"微生物入侵"效应可能通过功能菌株定植重构生态网络。
可持续农业实践前景
森林土壤改良作为一种自然修复策略，可缓解连作障碍，但需考虑森林资源可持续性。未来需结合多组学技术解析关键功能菌群机制，开发人工微生物组合制剂，平衡生态效益与农业成本。
结论
森林土壤改良能有效逆转长期连作引起的微生物群落退化，恢复多样性及代谢功能，降低抗性基因和毒力因子风险，为退化农田生态修复提供可行途径。
