连作对科尔沁沙地北苍术产量、药用品质及根际土壤微生态的影响及其关键土壤-微生物关联

《Frontiers in Microbiology》：Effects of continuous cropping on yield, medicinal quality, and rhizosphere soil microecological environment of Atractylodes chinensis in the Horqin Sandy land

　　

背景：连作是限制药用植物可持续栽培的主要因素。然而，连作对科尔沁沙地北苍术（Atractylodes chinensis）产量、药用品质及根际土壤微生态环境的影响尚不清楚。本研究通过连作与轮作系统的田间试验，比较北苍术产量、生物活性化合物含量、土壤化学性质及根际微生物群落，并进一步阐明其潜在关系。方法：采集植物和土壤样品，采用高通量测序评估植物产量和生物活性化合物、土壤化学性质及土壤微生物群落，并对测序数据进行生物信息学分析。结果：与轮作相比，连作显著降低产量及主要生物活性化合物含量，包括苍术素（atractylodin）、苍术酮（atractylon）和β-桉叶醇（β-eudesmol）。连作显著提高土壤pH、电导率（electrical conductivity，EC）和速效钾（available potassium，AK），降低碱解氮（alkali-hydrolyzable nitrogen，AN）和有机质（organic matter，OM）。此外，连作降低真菌丰富度（Chao1指数），提高细菌多样性（Shannon指数）和均匀度（Pielou’s evenness）。镰刀菌属（Fusarium）和Volutella显著富集，而Nocardioides和Arthrobacter显著耗竭。与碳氮循环相关的预测微生物功能潜力在连作下显著降低。相关分析显示，北苍术产量与土壤EC负相关，与OM含量及Heydenia和Enterocarpus相对丰度正相关。苍术酮含量与Aleuria和Acremonium正相关，与Volutella负相关。结论：这些发现表明，连作降低科尔沁沙地北苍术产量和药用品质，并与若干土壤化学性质恶化及根际微生物群落失调相关。本研究为北苍术连作障碍及其在科尔沁沙地的生态后果提供新见解，并为优化种植制度、维持土壤生态健康、提高该药用植物产量和品质奠定理论基础。亮点：连作降低北苍术产量和生物活性化合物积累。连作改变北苍术根际特定微生物类群相对丰度。若干土壤化学性质和微生物标志物与北苍术产量和生物活性化合物积累相关。

研究背景：北苍术（Atractylodes chinensis (DC.) Koidz.）为菊科多年生药用植物，其干燥根茎广泛用于中药，主要生物活性成分包括苍术素（atractylodin）、苍术酮（atractylon）和β-桉叶醇（β-eudesmol）。随着国内外需求增加和野生资源减少，人工栽培成为商品生产主要来源；在防止耕地“非粮化”的政策背景下，同一地块重复种植北苍术日益普遍，连作障碍（continuous cropping obstacles，CCOs）问题突出。已有研究表明，CCOs表现为植株生长受抑、产量下降和药用品质恶化，其机制涉及土壤—植物—微生物连续体中的土壤理化性质、酶活性、根系分泌物和微生物群落变化。北苍术既往研究多集中于活性成分、栽培技术和病害管理，根际微生物研究多比较不同地区样品及其与药材质量的关系，而针对科尔沁沙地这一生态脆弱农业生态系统中北苍术连作的系统研究仍有限。因此，研究人员以科尔沁沙地北苍术连作系统为对象，综合评价连作后产量和品质、土壤化学性质及根际微生物群落，识别与产量和主要生物活性化合物变化相关的土壤指标和潜在微生物类群，为缓解CCO、优化种植制度及提高北苍术产量和药用品质提供理论依据。

关键技术方法：试验在内蒙古奈曼旗中国（蒙古）药用植物研究基地（科尔沁沙地中部）开展，供试2年生北苍术幼苗由奈曼旗国安农业发展有限公司提供；设连作（T1）和轮作（T2）各3个独立小区，T1连续种植北苍术3年、T2连续种植黄芪3年，2023年统一移栽北苍术后于叶片展开后期、开花期、结实期和采收期采样。采收期用10 m²样方测产，高效液相色谱（high-performance liquid chromatography，HPLC）测定苍术素、苍术酮和β-桉叶醇；测定pH、EC、AN、速效磷（available phosphorus，AP）、AK和OM；采收期根际土壤行16S rRNA V3–V4和ITS2高通量测序及生物信息学分析，并结合线性混合效应模型、线性判别分析效应量（linear discriminant analysis effect size，LEfSe）、FAPROTAX/FUNGuild功能预测和Spearman相关分析。

研究结果：3.1 连作对北苍术产量的影响：通过小区样方测产和独立样本t检验发现，连作较轮作显著降低北苍术产量12.7%，由7359.58降至6422.08 kg/hm²。3.2 连作对北苍术生物活性化合物积累的影响：通过线性混合效应模型比较不同生育期含量发现，三种化合物均呈先升后降再升的动态，开花期最高；连作在叶片展开期显著提高β-桉叶醇，但在开花期、结实期和采收期分别降低8.33%、16.84%和21.25%；苍术素在叶片展开期和开花期连作较高，结实期后逆转，结实期和采收期分别降低24.4%和10.39%；苍术酮总体在连作下低于轮作。3.3 连作对北苍术根际土壤化学性质的影响：通过分期土壤化学测定和混合效应模型发现，连作显著提高pH、EC和AK，降低AN和OM；AN在各生育期分别降低10.08%、17.09%、19.40%和9.00%，AK在结实期和采收期显著升高，AP主效应不显著，OM在结实期和采收期显著降低。3.4 连作对北苍术根际微生物群落组成的影响：通过高通量测序和ASV分析发现，细菌T1和T2分别鉴定7207和6668个ASV，共享2763个，独特4444和3905个；真菌分别757和895个ASV，共享338个，独特419和557个；细菌优势门相对丰度无显著差异，连作显著降低真菌Basidiomycota相对丰度（T1为6.85%，T2为17.16%），PCoA显示总体细菌和真菌群落组成差异不显著。3.5 连作对北苍术根际微生物α多样性的影响：通过α多样性指数比较发现，连作显著提高细菌Shannon指数和Pielou’s evenness，Chao1指数无显著差异；连作显著降低真菌Chao1指数，Shannon指数和Pielou’s evenness无显著差异，表明连作降低真菌物种丰富度而对真菌均匀度影响有限。3.6 北苍术根际差异微生物类群：通过LEfSe分析发现，连作富集细菌Vicinamibacteraceae及真菌Dothidotthiaceae、Nectriaceae，轮作富集细菌Nocardioidaceae、Micrococcaceae及真菌Pseudombrophilaceae、Pyronemataceae；属水平上连作显著富集Fusarium和Volutella，降低Nocardioides、Arthrobacter、Aleuria和Heydenia相对丰度。3.7 根际微生物群落功能预测：通过FAPROTAX预测发现，连作显著降低与碳循环相关的ligninolysis、methanol oxidation和methylotrophy，以及与氮循环相关的nitrate respiration、nitrite respiration、nitrate reduction和nitrogen respiration预测功能相对丰度；FUNGuild预测的saprotrophs、symbiotrophs和pathotrophs三大营养型无显著差异。3.8 土壤化学性质、微生物标志物、产量和品质性状的关联：通过Spearman秩相关分析发现，pH与AN显著负相关，EC与OM显著负相关；Heydenia和Enterocarpus与EC负相关、与OM正相关，Volutella与AK正相关；Nocardioides与Arthrobacter正相关，Nocardioides、Arthrobacter和Guehomyces与Volutella负相关，Enterocarpus与Heydenia正相关，Fusarium与Aleuria负相关；产量与EC负相关，与OM、Heydenia和Enterocarpus正相关；苍术酮与Aleuria和Acremonium正相关，与Volutella负相关。

讨论总结：讨论指出，连作导致北苍术产量和药用品质下降，与已有其他药用植物连作研究一致；连作升高土壤EC和pH，提示可溶性盐离子积累和土壤碱化，并伴随AN和OM降低及阶段性AK升高，反映土壤养分动态失衡。连作降低真菌丰富度，同时改变特定类群相对丰度；Fusarium和Volutella富集提示潜在病原风险增加，Nocardioides和Arthrobacter减少可能与养分循环功能减弱相关，功能预测亦显示碳氮循环相关潜力下降。相关分析提示OM和EC是北苍术生长表现的重要环境因子，Heydenia和Enterocarpus可能与产量形成相关，Acremonium和Aleuria与苍术酮积累正相关，Volutella与苍术酮负相关。原文同时指出，微生物测序仅在采收期进行、每处理仅3个独立田间小区，标志物、相关性和功能结果应视为探索性，需通过纵向微生物采样和增加独立小区验证。研究结论（翻译）：本研究证明，在科尔沁沙地，连作显著降低北苍术产量及其主要生物活性化合物苍术素、苍术酮和β-桉叶醇的积累；连作改变根际土壤化学性质和特定微生物类群相对丰度，提高土壤pH、EC和AK，显著降低AN和OM；微生物层面上，连作促进Fusarium和Volutella富集，降低Nocardioides和Arthrobacter相对丰度；与碳氮循环相关的预测微生物功能潜力在连作下显著降低；相关分析进一步显示，北苍术产量与EC负相关，与OM及Heydenia和Enterocarpus相对丰度正相关，苍术酮含量与Aleuria和Acremonium相对丰度正相关、与Volutella相对丰度负相关。总体而言，连作降低北苍术产量和生物活性化合物含量，并伴随根际土壤化学性质及特定微生物类群相对丰度变化，产量和药用品质下降与某些土壤化学性质和关键微生物类群变化相关；这些发现为认识药用植物CCOs及其生态响应提供新见解，并为科尔沁沙地药用植物可持续栽培与管理策略提供理论依据。