《Agronomy》：Higher Growth Promotion of Maize (Zea mays L.) than Soybean [Glycine max (L.) Merrill] by Mycorrhiza Helper Kitasatospora in an Intercropping System
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作为丛枝菌根（AM）共生的天然生物增强因子，菌根辅助（MH）细菌已被提出用于发展可持续农业。然而，MH细菌在间作系统中的接种效应仍知之甚少。本研究开展了一项温室盆栽试验，以揭示黑土中玉米-大豆间作条件下，接种两株MH菌株——Kitasatospora herb
作为丛枝菌根（AM）共生的天然生物增强因子，菌根辅助（MH）细菌已被提出用于发展可持续农业。然而，MH细菌在间作系统中的接种效应仍知之甚少。本研究开展了一项温室盆栽试验，以揭示黑土中玉米-大豆间作条件下，接种两株MH菌株——Kitasatospora herbaricolor 2023A-1（KHe）和K. indigofera 2023A-2（KIn）后，土壤土著AM真菌群落的表现与作用。两株菌均使最优势AM真菌属从Paraglomus转变为Glomus，并促进了先前未检测到的Diversispora和/或Gigaspora属的出现。然而，仅KIn显著提高了AM真菌多样性指数，而两株菌均增加了AM真菌丰度和土壤有效磷供应能力。在间作作物中，玉米表现出比邻近大豆更高的菌根定殖率，以及在地上部生物量和磷、钾获取方面更强的响应。此外，与任一单一菌株相比，KHe+KIn联合接种在土壤放线菌数量、AM真菌丰度和定殖率、土壤碱性磷酸酶活性及有效磷浓度、养分获取和植物生长方面产生了更大的提升，尤其是对玉米而言。这些发现为MH细菌在黑土间作系统中的潜在应用提供了新的见解。
一、研究背景与意义
全球粮食消费需求持续增长，现代农业集约化程度不断提高，高产往往以肥料利用效率低和土壤残留肥料过多为代价，损害土壤健康。在减少化学投入的同时实现作物稳产，是可持续农业面临的重大挑战。间作特别是豆科-禾本科间作体系，旨在通过利用单作系统中未被充分利用的资源和生态过程来提高生产力。大豆为全球提供超过四分之一的食物和动物饲料蛋白需求，玉米则广泛用于粮食、饲料和工业用途，在全球间作实践中具有优先地位。玉米-大豆间作被鼓励用于提高土地利用效率和农民收入，全球范围内该系统的土地当量比和氮肥当量比分别估计为1.32和1.44，表明相对于单作具有显著的土地节约潜力和氮肥减施潜力。
种间促进和竞争改变植物生长速率，理解作物氮磷钾吸收模式对估算养分预算和优化管理至关重要。大豆通过生物固氮满足部分氮需求，氮从大豆向邻近玉米的转移可进一步提高氮利用效率，这归因于丛枝菌根真菌构建的菌丝网络连接不同植物并影响作物间养分分配。然而，过量施肥等农业实践会干扰土壤AM真菌的多样性和活性，限制其在集约化农田中的效益。鉴于AM真菌接种物大规模离体生产面临的持续挑战，促进土壤土著AM真菌的生态功能已成为一种有价值的替代方案。
菌根辅助细菌被视为能够增强AM真菌生长和/或共生建立与功能性的天然生物增强因子，形成细菌-真菌-植物连续体或三方共生体系。链霉菌科中的Kitasatospora属是另一重要菌属。近期，从酸性黑土中分离出两株Kitasatospora菌株——K. herbaricolor 2023A-1和K. indigofera 2023A-2，被鉴定为参与防治大豆疫霉病的MH细菌。然而，MH细菌在间作系统中的接种效应仍知之甚少，部分原因在于这些细菌可能通过改变邻近作物的营养状况来改变种间竞争。不同MH菌株可产生不同效应，微生物群落间的相互作用已被认为是决定植物生长的重要因素，合成群落可能比单一菌株提供更多益处。东北地区是世界主要黑土区之一，在玉米和大豆生产中发挥重要作用，但连作已导致土壤退化。在此背景下，本研究考察了K. herbaricolor和K. indigofera接种对玉米-大豆间作条件下黑土土著AM真菌群落多样性、定殖和贡献的影响，假设两种间作作物对MH细菌接种会有不同响应，从而产生作物特异性的植物生长和养分获取效应。
二、研究设计与主要技术方法
本研究采用温室盆栽试验，在玉米-大豆间作条件下设置四个处理：不接种对照、接种K. herbaricolor 2023A-1、接种K. indigofera 2023A-2、以及两菌株联合接种，每个处理三个重复，完全随机设计。供试黑土采自中国黑龙江省绥化市连续种植大豆3年的农田0-25 cm表层。主要技术方法包括：采用网格线相交法经台盼蓝染色评估菌根定殖率；采用稀释平板法检测土壤放线菌数量；利用实时荧光定量PCR定量AM真菌丰度；通过巢式PCR结合Illumina MiSeq高通量测序分析AM真菌群落组成和多样性；采用元素分析仪、钼锑抗比色法和火焰光度法分别测定植株氮、磷、钾浓度；采用比色法测定土壤碱性磷酸酶活性和有效磷浓度。
三、主要研究结果
3.1 菌根定殖与植物响应
接种Kitasatospora影响了菌根定殖、植物生物量和主要养分（氮磷钾）获取，但玉米和大豆响应不同。对玉米而言，KHe和KIn均显著提高了菌根定殖率和主要养分（除氮外）获取，并倾向于增加根和地上部生物量，而KHe+KIn联合接种效果优于任一单一菌株。对大豆而言，KHe和KIn仅倾向于增加菌根定殖率，对植物生物量和主要养分获取无影响，而KHe+KIn显著提高了菌根定殖率和根生物量。微生物接种效应不仅因菌株而异，也因作物和养分而异。总体而言，KHe+KIn联合接种对玉米和大豆主要养分获取和植物生长的响应均高于任一单一菌株。此外，玉米在磷和钾获取方面的响应通常强于氮，且在主要养分获取（KIn处理的氮除外）和地上部生物量方面的响应高于大豆。
3.2 土壤化学性质与微生物种群
接种MH菌株，尤其是合成群落，显著影响了土壤微生物种群和有效磷供应能力。与对照相比，KHe和KIn均显著提高了土壤碱性磷酸酶活性并倾向于增加AM真菌丰度，而仅KIn倾向于增加土壤放线菌数量和有效磷浓度。KHe+KIn则显著增加了土壤放线菌数量、AM真菌丰度和有效磷浓度，且对碱性磷酸酶活性的提升优于任一单一菌株。然而，所有接种处理对土壤pH值均无显著影响。
3.3 土壤AM真菌群落组成与多样性
接种KHe和/或KIn在影响丰度的同时，也改变了土壤土著AM真菌的群落组成和多样性。在属水平上，KHe、KIn和KHe+KIn均将最优势属从Paraglomus转变为Glomus，并提高了Archaeospora的相对优势度，同时促进了对照中未检测到的Diversispora的出现。KIn处理中额外检测到Gigaspora。此外，KHe仅倾向于增加AM真菌的Pielou均匀度，而KIn和KHe+KIn均显著提高了Pielou均匀度、Shannon指数和Simpson指数。可以得出结论，在本试验条件下，KIn对土壤土著AM真菌的影响比KHe更为深远。
3.4 相关性热图与共现网络
大豆的养分获取和地上部生物量与土壤或AM真菌参数均无显著相关。而玉米的磷、钾获取和地上部生物量与土壤有效磷浓度、碱性磷酸酶活性、AM真菌丰度和多样性指数显著相关，定殖率和氮获取也与土壤有效磷浓度显著相关。此外，土壤有效磷浓度和AM真菌丰度分别与碱性磷酸酶活性和AM真菌Pielou均匀度显著相关。
四、讨论与结论
玉米的生长促进程度显著高于大豆，表现为地上部生物量及磷钾获取的响应更强。KHe和KIn均提高了玉米根系菌根定殖率和土壤碱性磷酸酶活性，可能同时增强了根系磷吸收能力和土壤有效磷供应能力。作为间作体系中的优势作物，玉米表现出比邻近大豆更高的菌根定殖率，可能为土壤土著AM真菌群落提供更多光合碳，从而使其菌根化增强对AM真菌的益处大于大豆根系。与磷钾相比，KHe和KIn对玉米氮增加的有限性可能反映了大豆根系菌根化增强不足，因为更高的菌根定殖可潜在支持大豆固氮。
KHe和KIn的不同功能特征表明，两菌株组合可能提供互补效益。KHe+KIn合成群落对玉米和大豆主要养分获取和植物生长产生了更大的提升，土壤有效磷浓度、碱性磷酸酶活性、放线菌数量和AM真菌丰度均以KHe+KIn处理最高。值得注意的是，增加的养分量均超过单一菌株效应的总和，表明合成群落的优势并非加性效应，而是源于菌株间的相互作用。据研究人员所知，此前尚无基于Kitasatospora的合成群落报道。
研究结论：尽管KIn对土壤土著AM真菌群落组成和多样性的影响比KHe更为深远，但两株菌均增加了AM真菌的丰度和侵染力以及土壤有效磷供应能力。玉米表现出比邻近大豆更高的根系菌根定殖率以及地上部生物量和养分获取的响应，尤其是磷和钾；例外是KIn接种下氮获取的响应。此外，KHe+KIn联合接种对两种作物主要养分获取和植物生长的提升均大于任一单一菌株，可能反映了两种细菌菌株间的相互作用。总体而言，本研究凸显了MH Kitasatospora特别是合成群落在改善间作系统作物性能方面的应用潜力。
