混沌劫全集下载科研 SCI TOTAL ENVIRON：间作覆盖物影响雨养转基因Bt棉花杂交种的土壤生物学和微生物多样性

　　与使用塑料地膜覆盖物相比，在宽间距转基因Bt棉花杂交种之间种植活覆盖物是控制杂草的低成本选择。

　　与使用塑料地膜覆盖物相比，在宽间距转基因Bt棉花杂交种之间种植活覆盖物是控制杂草的低成本选择。然而，人们对它们所造成的土壤生物学的影响一无所知。因此，本研究从长期实地实验（2014-15至2018-19）中收集土壤样品，以研究土壤生物活性以及微生物多样性（土壤宏基因组分析）。总体而言，覆盖措施增强了土壤生物活性并影响了Bt棉花中的微生物多样性。太阳麻（Crotalaria junceaL.）、蝇翅草（Desmodium triflorumL.）、高粱（Sorghum bicolorL.）和塑料地膜覆盖物处理的土壤生物活性，如基础呼吸、微生物生物量碳和土壤酶显著高于其它覆盖物处理。与芳香作物（苦小茴香（Centratherum anthelminticum(L.)Kuntze）、香旱芹（Trachyspermum ammi(L.) Sprague ex Turrill）、香菜（Coriandrum sativumL.）、茴香（Foeniculum vulgareMill.）和葫芦巴（Trigonella foenum-graecumL. Fabacea）覆盖物相比，无覆盖或间作对土壤生物活性具有显著的不利影响。稀释曲线表明，与间作覆盖物相比，塑料地膜和报纸覆盖物处理具有更高的物种丰富度。土壤宏基因组数据表明，在所有覆盖物处理中变形菌门（28%–36%）、放线%）丰度较高，而绿弯菌门（4%–5%）、芽单胞菌门（2%–6%）、浮霉菌门（2%–4%）和拟杆菌门（2%–3%）的丰度较低。太阳麻和报纸覆盖物处理中，真菌子囊菌门的丰度较低（0.06%–0.07%）。与无覆盖物处理的土壤相比，覆盖物可以显著提高土壤生物活性。此外，我们的研究确定了一些可以作为间作种植的作物，为改善土壤生物学和昂贵的塑料地膜覆盖物提供了替代品。

　　棉花杂交种以90×60 cm的间距进行人工播种。棉花出苗后大约30天，在两个棉花行之间播种了12种间作作物（苦小茴香、香旱芹、香菜、蝇翅草、茴香、葫芦巴、万寿菊、燕麦、珍珠粟、高粱、芝麻和太阳麻）。在棉花播种后大约45-50天，将间作作物切割并作为覆盖物放置在土壤表面。除了12种间作作物，引入黑色塑料（50 μm厚）和报纸（双层；约62 μm）进行实验。将这14个处理与农民的做法（无覆盖或间作）和对照组进行比较。农民的处理包括使用芽前二硝基苯胺除草剂，2次手工除草和2到3次手锄操作。对照处理没有间作，也没有进行除草。在棉花作物的棉铃形成高峰期（播种后100天）采集土壤样品分析所有土壤生物学参数，并进行土壤宏基因组测序。

　　所有土壤生物属性都随着年份的增加而逐渐增加。经过五年的试验后，太阳麻覆盖物中的土壤基础呼吸率显著高于塑料地膜、高粱和蝇翅草覆盖物（

　　0.01）。然而，这四种处理的土壤呼吸速率相当。与其他覆盖物处理相比，葫芦巴覆盖物处理的土壤呼吸率较低。经过五年的评估，与无覆盖或间作相比，太阳麻、塑料地膜、高粱和蝇翅草覆盖物的土壤呼吸率增加的百分比分别为485%、468%、450%、434%。虽然用万寿菊、苦小茴香、香旱芹和葫芦巴覆盖提高了土壤呼吸率，但与无覆盖或间作相比，其呼吸率较低（图1a）。

　　经过五年的评估，与无覆盖或间作相比，太阳麻、蝇翅草、高粱和塑料地膜覆盖物处理的土壤微生物生物量C显著增加（

　　0.01）。在覆盖物处理中，香旱芹覆盖的土壤微生物生物量C最低，但比初始土壤微生物生物量C增加了18.8%（图1b）。微生物代谢熵表明，塑料地膜、太阳麻、高粱和蝇翅草覆盖物比无覆盖或间作更能增强微生物代谢功能。然而，葫芦巴和香旱芹覆盖物的微生物代谢熵最低（

　　0.01）（图1c）。作为微生物活性指标的脱氢酶活性在塑料地膜覆盖物中较高（

　　0.01），其次是蝇翅草、太阳麻和芝麻。香旱芹、万寿菊、香菜和葫芦巴覆盖物等芳香作物的脱氢酶活性最低。与初始土壤脱氢酶活性相比，塑料地膜、蝇翅草、太阳麻和芝麻覆盖物的脱氢酶活性分别增加了357%、351%、328%和314%（图1d）。

　　0.01）较高，其次是太阳麻、塑料地膜和高粱覆盖物，经过五年的研究，苦小茴香覆盖物的活性最低（图2a）。与初始值相比，蝇翅草、太阳麻、塑料地膜和高粱覆盖物中酸性和碱性磷酸酶活性的增加百分比分别为303%、302%、300%和283%。太阳麻的碱性磷酸酶活性显著较高（

　　0.01），其次是塑料地膜、高粱和珍珠粟覆盖物，而葫芦巴覆盖物的活性最低（图2b）。与酸性磷酸酶活性的增加百分比相比，碱性磷酸酶活性的变化在所有覆盖物处理中都较小。与初始值相比，太阳麻、塑料地膜、高粱和珍珠粟覆盖物中碱性磷酸酶活性的增加百分比分别为126%、112%、101%和92.4%。

　　β-葡萄糖苷酶活性作为衡量有机物降解和碳循环的指标，在高粱覆盖物中显著较高，其次是塑料地膜、珍珠粟和燕麦覆盖物处理，而香旱芹和香菜覆盖物处理中β-葡萄糖苷酶活性最低（图2c）。与初始值相比，高粱、塑料地膜、珍珠粟和燕麦覆盖物中β-葡萄糖苷酶活性的增加百分比分别为450%、423%、400%和 392%。芳基硫酸酯酶作为土壤中硫矿化的指示物，其在太阳麻和塑料地膜覆盖物中具有显著（

　　0.01）较高的芳基硫酸酯酶活性，其次是苦小茴香覆盖物，葫芦巴覆盖物中的芳基硫酸酯酶活性最低（图2d）。与初始值相比，太阳麻、塑料地膜和苦小茴香覆盖物中芳基硫酸酯酶活性的增加百分比分别为421%、389%和294%。

　　棉花土壤酶的影响。（1）土壤酸性磷酸酶活性；（2）土壤碱性磷酸酶活性；（3）β-葡萄糖苷酶活性；（4）芳基硫酸酯酶活性。误差棒表示来自三个生物学重复的平均值的标准偏差。根据每个处理之间的Tukey检验（

　　仅对选定的覆盖物处理的土壤样本进行宏基因组（WMG）分析，即太阳麻、高粱、报纸和塑料地膜覆盖物，因为它们具有更好的杂草窒息效率。对太阳麻覆盖物、高粱覆盖物、报纸覆盖物、塑料地膜覆盖物和无覆盖或间作的土壤样本进行WMG测序，分别获得了9 000 000、13 567 491、9 000 000、21 450 169和900 000个原始序列。我们将高质量序列分别组装得到1 434 029、2 170 953、2 284 435、3 160 660和1 509 746个contigs（表2）。

　　稀释曲线表明，与其他处理相比，塑料地膜覆盖物具有更高的物种丰富度。物种丰富度依次为塑料地膜覆盖物报纸覆盖物高粱覆盖物无覆盖或间作太阳麻覆盖物。UPGMA聚类（Bray-Curtis指数）对Beta多样性进行分析形成了两组，即第一组是太阳麻覆盖物、报纸覆盖物和无覆盖或间作，第二组是高粱覆盖物和塑料地膜覆盖物。然而，太阳麻覆盖物的Beta多样性与农民的做法相似。间作长期覆盖对

　　棉花土壤微生物多样性指数（Shannon指数、Simpson指数和均匀度指数）的影响如表3所示。高粱和塑料地膜覆盖物的Shannon指数高于无覆盖或间作处理；报纸和太阳麻覆盖物处理的物种均匀度指数高于无覆盖或间作处理。但高粱和塑料地膜覆盖物处理的均匀度指数较低，表明某些微生物群在群落中占据优势地位。

　　从不同处理（太阳麻覆盖、高粱覆盖、报纸覆盖、塑料地膜覆盖和无覆盖或间作）中获得的总序列分为细菌、放线菌、古细菌、绿藻、蓝藻和线种古细菌（Euryarchaeota和Thaumarchaeota），1种放线种线种绿藻（Streptophyta），1种蓝藻，1种绿色硫细菌（Chlorobi），1种绿弯菌门（Chloroflexi），1种螺旋菌以及1种未知物种），包括51个纲，89个目，146个科，246个属，477个种。在覆盖物处理中，太阳麻、高粱、报纸、地膜和无覆盖或间作处理分别含有31、33、32、31和30个门，表明高粱覆盖物处理中微生物门的相对丰度较高，最低的是无覆盖或间作处理。太阳麻覆盖物处理样本中占比前五位的优势菌门分别为：放线菌门（Actinobacteria）、变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）和浮霉菌门（Planctomycetes）。高粱覆盖物中为变形菌门、酸杆菌门、放线菌门、浮霉菌门和绿弯菌门；报纸覆盖物中为变形菌门、放线菌门、酸杆菌门、绿弯菌门和浮霉菌门；塑料地膜覆盖物中为变形菌门、酸杆菌门、放线菌门、浮霉菌门和绿弯菌门；无覆盖或间作中为放线菌门、变形菌门、酸杆菌门、绿弯菌门和浮霉菌门。总体而言，高粱、报纸、塑料地膜覆盖物的优势菌门为变形菌门，而太阳麻覆盖物和无覆盖或间作为放线菌门。此外，在所有处理的前十名优势门中也发现了蓝藻和厚壁菌门。

　　各处理中，太阳麻覆盖物中前五位优势微生物属分别为诺卡氏菌属（Nocardioides）、链霉菌属（Streptomyces）、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）、Solirubrobacter和慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）；高粱覆盖物中为Solirubrobacter、Gemmatimonas、硝化螺菌属（Nitrospira）、Luteitalea和Pyrinomonas；报纸覆盖物中为鞘氨醇单胞菌属、链霉菌属、微枝形杆菌属（Microvirga）、Solirubrobacter和诺卡氏菌属；塑料地膜覆盖物中为鞘氨醇单胞菌属、Luteitalea、Gemmatimonas、硝化螺菌属和链霉菌属；无覆盖或间作中为鞘氨醇单胞菌属、诺卡氏菌属、链霉菌属、Solirubrobacter和地嗜皮菌属（Geodermatophilus）。总体而言，除了太阳麻覆盖物处理外，鞘氨醇单胞菌是所有处理中的优势属，其中诺卡氏菌属是太阳麻覆盖物处理中的优势属。

　　在鉴定的主要一级子系统中（1）碳水化合物，（2）辅因子、维生素、修复基团、色素，（3）氨基酸和衍生物，（4）脂肪酸、脂质和类异戊二烯以及（5）蛋白质代谢是所有样本中前五位的主要一级子系统。其他一级子系统为RNA代谢、细胞壁和荚膜、呼吸、DNA代谢、代谢物损伤及其修复或缓解、应激反应、芳香族化合物的代谢、硫、磷、氮和钾、铁代谢。对这些功能子系统的比较分析表明，塑料地膜覆盖物中含有更多编码碳水化合物、辅因子、维生素、辅基、色素、氨基酸和衍生物、脂肪酸、脂质和类异戊二烯以及蛋白质代谢的序列，其次是报纸覆盖物，在无覆盖和间作处理中最少。具体而言，高粱覆盖物的固定相响应和丙酮代谢显著高于其他处理。类似地，塑料地膜覆盖物中质体（蓝藻）电子传递系统、自养、噬菌体、原噬菌体、铁的获取和代谢以及转座因子含量较高。

　　覆盖物处理中存在的基因的代谢功能揭示了宏基因组水平的129种主要代谢和酶通路。总体而言，太阳麻覆盖物处理包含120条通路（794个直系同源蛋白），而高粱覆盖物、报纸覆盖物、塑料地膜覆盖和无覆盖或间作中分别含有123（991个直系同源蛋白）、125（841个直系同源蛋白）、129（2586直系同源蛋白）和121（754直系同源蛋白）条通路。此外，预测的功能谱表明，群落的整体组成由一般代谢途径主导，包括脂肪酸生物合成和延伸、核苷酸代谢、肽聚糖生物合成、氨基酸生物合成。除高粱覆盖物外，脂肪酸生物合成和延伸途径在所有其他处理中占主导地位。此外，碳水化合物代谢（淀粉、蔗糖、氨基糖和核苷酸糖）和含氮化合物代谢（精氨酸、脯氨酸、甘氨酸、谷氨酰胺、赖氨酸、丝氨酸、组氨酸、苏氨酸、酪氨酸、缬氨酸、嘌呤和嘧啶）、铁载体组非核糖体肽类生物合成、倍半萜类和三萜类生物合成、泛醌等萜类-醌类生物合成、托烷、哌啶和吡啶类生物碱的生物合成，抗生素的生物合成均存在于所有样品的预测基因中，但水平不同，表明其代谢过程活跃。然而，大多数代谢和酶途径在塑料地膜覆盖物处理中显著较高，其次是高粱覆盖物处理。

　　棉花长期覆盖措施对土壤生物学特性和微生物多样性的影响。尽管对所有覆盖物处理的土壤基础呼吸、微生物生物量碳、代谢商和土壤酶等土壤生物属性进行了五年的研究，但对于微生物群落组成，我们主要关注太阳麻、高粱、报纸、塑料地膜和无覆盖或间作处理，其具有更好的杂草抑制效果。从我们为期五年的研究中，发现了覆盖物对土壤生物学和微生物多样性的影响存在差异。

　　总体而言，与其他处理相比，太阳麻、蝇翅草、高粱、塑料地膜和报纸覆盖物增强了土壤生物活性。多年来，在有机覆盖处理中，通过植物残体分解和矿化获得更高的养分，以及微生物活动所需的足够水分被认为是支持微生物种群的增加及其的活动的主要因素。在塑料地膜覆盖物处理中，最佳土壤水分和温度的可用性维持了更高的微生物活性和相关功能。长期的田间研究表明，与普通农民的做法相比，间作、报纸和塑料地膜覆盖物可以显著增强

　　棉花的土壤生物活性，这表明间作有助于有效利用土壤可用资源来支持微生物功能，包括在土壤生物地球化学循环中所涉及的酶。

　　一般来说，有机质（碳源和氮源）、水分和温度是影响土壤微生物活动的重要因素。植物组成的差异也极大地影响了作物残体的矿化率，进而影响了土壤中养分的释放模式。与其他处理相比，所评估的间作的固有生化成分和碳氮比可能加速矿化速率和随后的残留物养分释放，从而导致更高的土壤生物活性。有利的碳氮比、

　　的增加与覆盖物处理中增强的功能微生物有关。此外，土壤孔隙度通过空气和水动力学影响土壤

　　植物微生物的相互作用。间作改变了土壤宏观和微团聚体，提高了土壤孔隙度，增强了土壤生物功能。

　　太阳麻和蝇翅草属于豆科，而高粱属于禾本科。这些覆盖物处理中较高的土壤生物活性表明较高的生物量和最佳碳氮比对土壤微生物活动的作用。禾本科和豆科作物产生的生物量较大，但碳氮比适中，分解速度较慢，养分逐渐释放，土壤生物活性增强，土壤微生物学性质增强。然而，不适当的覆盖做法会造成氧气限制，这会导致土壤中的厌氧、反硝化、氮固定和微生物转移。太阳麻覆盖物增强了土壤水分含量、养分有效性和杂草抑制。

　　与其他间作覆盖处理类似，报纸覆盖物增强了土壤生物活性。报纸中的纤维素含量可能是土壤微生物及其后续微生物功能的碳源。此外，由于报纸固有的多孔性和吸湿性，可以保留更多的土壤水分。然而，由于它在土壤中迅速降解，不会持续整个种植季节。

　　塑料地膜覆盖物增强了土壤生物活性，与太阳麻、蝇翅草和高粱覆盖物类似。塑料地膜覆盖物处理中的土壤和水分保持有望促进更高的微生物活性和相关的功能作用。然而，塑料地膜覆盖物中，支持微生物活动的碳底物来自棉花植物的根际沉积物或天然土壤微生物生物量。此外，据报道，塑料地膜覆盖物可以增加土壤有机碳并减少氮损失，并提高产量。尽管我们的研究表明土壤孔隙度降低，但它并没有影响微生物多样性，这可能是由于侵蚀造成的土壤流失减少和土壤水分状况更好。塑料地膜覆盖物加速了碳氮代谢，最终消耗了土壤有机质储备并增加了温室气体排放。在农业中使用塑料地膜覆盖物与多种环境影响有关，包括减少土壤有机质积累、土壤退化和污染问题。

　　尽管我们最近的研究表明芳香作物对杂草窒息和籽棉产量的积极影响，但它们对土壤生物活动的影响尚未量化。总体而言，与其他覆盖物相比，所评估的芳香作物覆盖物的生物活性较低。芳香作物覆盖物中土壤生物活性的降低说明了它们对土壤微生物和相关功能的化感作用。芳香作物改变了土壤微生物群落组成和微生物功能。一些由芳香作物产生的生物活性化合物对细菌、真菌、病毒、原生动物和昆虫具有抗菌活性。精油在细胞膜和线粒体的脂质双层中的积累影响了细菌。此外，芳香植物精油中功能性羟基（

　　）表现出抗菌活性，并可能破坏细胞稳态，导致细胞死亡。然而，据报道，一些芳香植物及其生物活性化合物作为益生元可以刺激细菌生长。

　　尽管有一些关于化感作物覆盖物对作物产量和杂草抑制之间相互作用的研究，但并未发现与这些化感作物有关的种植

　　转基因棉花的土壤生物学和微生物多样性的研究。微生物群落结构和相关微生物功能的变化是土壤和植物健康的早期指标，因为土壤微生物群落在土壤理化和生物功能中起着重要作用。间作有望改变土壤微生物组成及其功能，并在土壤生态系统服务中发挥重要作用，对微生物生物量

　　、酶活性和微生物类群的相对丰度方面产生有益的影响。间作和覆盖物通过增强微生物定植间接增加土壤磷的可用性，从而改善土壤磷库的获取并促进增强的磷酸酶活性增加。

　　众所周知，农作物通过根系分泌物和相互作用来改变微生物的丰度和多样性。然而，种植系统中植物释放的生物活性化合物（抗微生物或化感物质）可以改变微生物群落及其功能。与其他处理相比，除了较少或相容的化感物质外，太阳麻、高粱、蝇翅草、塑料和报纸覆盖物中的

　　数量较多，表明可以使用更多的单糖、最佳的水分和土壤温度条件。在从土壤宏基因组数据中确定的细菌中（门水平），变形菌门（高粱、报纸和塑料地膜覆盖物）和放线菌门（太阳麻覆盖物和无间作或覆盖）在各自的处理中丰度较高。此外，在覆盖物处理中还发现了较高丰度的酸杆菌门、绿弯菌门、浮霉菌门、拟杆菌门、芽单胞菌门、厚壁菌门、奇古菌门、念珠菌、蓝细菌和疣微菌门。在变形菌门中，

　　一般来说，变形菌门、放线菌门、酸杆菌门、拟杆菌门、厚壁菌门、浮霉菌门、芽单胞菌门、疣微菌门和绿弯菌门是来自各种植物和根际的宏基因组数据集中的高度丰富的细菌门。变形菌门是功能多样的快速生长的革兰氏阴性菌群，它们的许多属都属于植物生长促进剂。此外，可以使用更广泛的根际沉积物（碳物质），是使它们成为土壤中的优势种群的原因之一。放线菌门是主要的土壤细菌门，在有机物降解和养分循环中起主要作用。作为腐生菌，放线菌产生更广泛的细胞外水解酶，这些酶参与植物聚合物的降解，如纤维素、木质素、几丁质。此外，放线菌门的丰度与土壤

　　含量呈正相关。在农业生态系统中，有机碳含量低且腐殖质较少的土壤（碱性土壤）中的放线菌门丰度较高。覆盖物处理中变形菌门、放线菌门和酸杆菌门的比例较高，表明间作覆盖物中有机物的有效矿化以及与有机物分解相关的微生物类群的支持。

　　酸杆菌门是世界各地不同生态系统中最广泛的异养的、好氧的或微嗜氧的兼性厌氧细菌。酸杆菌门是土壤中与土壤有机质分解和其他生物地球化学循环相关的关键细菌类群之一，有助于提高作物生产力。最近的研究表明，酸杆菌门及其亚种的生活方式不同，有些表现出寡营养或营养行为。大量膜转运蛋白的存在、使用多种碳源的能力、对抗生素的抗性、几种次生代谢物的产生以及产生外聚物质的能力使酸杆菌门成为土壤中强大的生存候选者。尽管酸杆菌门对多种多糖的降解存在疑问，但它们在主要植物细胞壁成分木聚糖的降解中起主要作用。除了

　　和养分等环境因素也会影响土壤中酸杆菌门的动态。在我们的宏基因组数据集中发现了较高丰度的酸杆菌门，表明它们在覆盖物处理中有效有机物循环中的作用。对于真菌群落，仅在太阳麻和报纸覆盖物中发现子囊菌门，而在其他三种覆盖物处理（高粱、塑料布和无覆盖或间作）中没有观察到子囊菌门，其因产生多种参与有机物分解的水解酶而闻名。

　　对印度中部种植的雨养Bt棉花不同覆盖处理的土壤生物活性、微生物群落结构和宏基因组进行了评估。太阳麻、蝇翅草、高粱、塑料地膜和报纸覆盖物对土壤生物活性、微生物多样性、丰富度产生了显著的积极影响。另一方面，与农民的做法（无覆盖或间作）相比，芳香覆盖作物导致土壤生物活性下降。有趣的是，塑料地膜和报纸覆盖物对土壤生物活性没有不利影响，相反，它们增强了土壤生物活性，与太阳麻、蝇翅草和高粱覆盖物处理类似。此外，这些处理还具有更高的物种丰富度。土壤宏基因组数据表明，变形菌门、放线菌门和酸杆菌门在所有覆盖物处理中均较为丰富。我们在五个季节的长期研究表明，太阳麻、蝇翅草和高粱或塑料地膜和报纸都可以用作覆盖材料。与间作覆盖相比，我们观察到塑料地膜覆盖对酶活性会产生一些瞬时影响；然而，没有观察到长期的不利影响。为了制定更好的土壤管理策略，有必要进行深入研究以便进行深入了解。