间作通过促进根际代谢物和微生物组之间的联系来促进玉米生长和养分吸收

概要总结

间作可以改善作物生长、土壤肥力和病害控制，从而提高整体生产力。然而，尽管有大量研究表明，间作通过根际效应增强了生产力，但我们对驱动这些收益的具体地下生物化学过程的理解仍然有限。

焦点作物与间作作物根系之间的相互作用直接影响地下生物化学过程，包括养分矿化和有机物分解。许多研究表明，多样的植物类型和群落结构可以在根际形成多样的微生物群落，特别是在间作生态系统中。此外，不同根系及其分泌物和残留物以及植物凋落物进入土壤，可以显著改变土壤微环境和碳输入，从而招募特定的微生物类群，改变地下生物多样性和土壤生态功能。尽管高植物多样性对间作系统中土壤微生物多样性和群落组成的影响是众所周知的，但其背后的机制仍然理解不清。例如，根际代谢物与微生物群落的相互作用如何促进作物生产仍然不明确，从而限制了我们对间作增产优势的理解。

根际是植物养分循环和土壤生物有机体定殖偏好的关键区域。在间作生态系统中，各种根系过程有助于形成独特的根际生物群落。微生物成员之间复杂而动态的直接或间接相互作用可以在根际土壤中形成多样的食物链和复杂的食物网络。例如，某些原生动物可以通过消耗细菌和真菌显著改变土壤生物群落组成并提高土壤养分水平，同时释放出大量可供植物和其他微生物类群利用的养分。同时，土壤食物网提供了关于土壤生物群落复杂性的见解，群落复杂性通常表明更高的群落稳定性。土壤生物生态网络特征可以帮助预测土壤能量和养分流动，并在一定程度上表征土壤生态功能。尽管有大量类似的研究，但对于根际微生物群落特征（如多样性、关键类群和群落复杂性）在多大程度上影响作物生长和生产力的理解仍然存在知识差距。

根际土壤中的微生物群落不仅受植物多样性和群落选择的影响，还受化学微环境（主要是代谢物）的影响。根际代谢物主要来自植物根系分泌物和土壤微生物。植物分泌的代谢物显著改变了土壤微生物群落的组成，并维持了微生物的偏好生态位。此外，某些根际代谢物被确定为化学信号，能够从大土壤中招募特定的微生物类群到根际。根际代谢物与微生物的相互作用对于植物健康和生长的各个方面至关重要，包括管理土壤传生病害和调节根系形态。因此，了解根际代谢物的动态和功能对于阐明微生物驱动的间作益处机制具有重要意义。

为了研究间作如何通过塑造根际土壤中的代谢物和微生物群落来增强植物生长和养分吸收，我们进行了为期10年的田间实验，使用玉米作为实验作物。提出的方法包括两个主要阶段。首先，我们比较了玉米单作和间作系统中根际土壤代谢物和微生物群落的差异，包括细菌、真菌（腐生菌和共生菌）、原生动物和线虫。其次，通过体外分析，我们演示了间作富集的特定代谢物如何调节植物生长和养分吸收。同时，我们确定了土壤微生物群落在这一背景下的重要性。我们的假设如下：(1) 间作可能会改变玉米根际代谢物的化学多样性和化学成分，导致特定代谢物的富集。(2) 间作富集的特定根际代谢物可能通过直接调节土壤微生物群落来增强植物生长和养分吸收。

玉米生长阶段与种植模式对根际土壤代谢物多样性和组成的影响

• 在玉米的开花期和成熟期，五种处理方式的根际土壤代谢物的化学多样性存在显著差异。

• 单作系统的根际代谢物多样性低于间作系统。

• 代谢物的组成在五种处理方式和两个生长阶段之间也存在显著差异。

• 不同处理方式之间根际代谢物组成的Bray-Curtis不相似性没有显著差异。

• 根际土壤代谢物的共现网络显示了主要成分之间的关联，度数最高的前十个成分主要包括酚类、糖类、酰胺、有机酸和酯类。

• 在所有四种间作处理中的根际土壤中，磷酸鸟氨酸和邻苯二甲酸二乙酯显著减少，而大豆皂苷B、6-羟基烟酸、石蒜碱、莽草酸和磷酸肌酸显著增加。

不同种植模式下玉米根际土壤微生物多样性和群落结构的变化

• 玉米根际土壤中细菌、真菌、腐生真菌、原生动物和线虫的生物多样性在五种处理方式之间存在显著差异。

• 与代谢物多样性的趋势一致，单作系统中的微生物多样性显著低于间作系统。

• 真菌和原生动物的Shannon指数在玉米的开花期和成熟期之间也存在显著差异。

• 不同处理方式和玉米生长阶段之间，微生物群落的组成存在显著差异。

• 除了线虫之外，其他处理方式之间的土壤微生物群落的Bray-Curtis不相似性没有显著差异。

• 主成分分析（PCA）和多变量方差分析（PERMANOVA）进一步揭示了细菌、真菌、腐生真菌、共生真菌、原生动物和线虫在不同处理方式和玉米生长阶段的聚类差异。

• 丰度差异分析显示，与单作系统相比，每种间作系统中的根际微生物类群的富集和减少情况。

• 不同的间作系统能够富集不同的根际微生物类群，特别是大豆间作处理（M-S）可以富集更多的根际微生物类群（尤其是细菌和真菌）。

玉米根际土壤代谢物与微生物群落多样性和组成的关联性分析

• 细菌、真菌、腐生真菌、原生动物和线虫的生物多样性（Shannon指数）与根际土壤中代谢物的化学多样性呈显著正相关）。

• 细菌、原生动物和线虫群落组成（PCA1）与代谢物化学多样性显著正相关。

• 细菌、真菌和原生动物的生物多样性与代谢物组成显著正相关。

• 细菌、真菌、原生动物、共生真菌和线虫群落的组成与代谢物组成显著正相关。

• 细菌、真菌、腐生真菌、原生动物和线虫群落组成的不相似性与代谢物组成的不相似性显著正相关。

• Procrustes分析和Mantel测试共同表明代谢物和微生物群落的分布模式具有显著一致性。

• Spearman相关分析进一步揭示了在网络中排名前十并在丰度差异分析中同时富集或减少的特定代谢物与微生物多样性和群落组成之间的广泛显著关联。

玉米根际土壤微生物生态网络结构与代谢物及植物养分吸收的相关性分析

• 根据每种微生物群落的生态网络，我们确定了共现网络的关键节点：细菌10个，真菌7个，共生真菌2个，腐生真菌6个，原生动物12个，线虫5个。

• 整合所有微生物的ASV表构建了一个整体的根际土壤食物网络，揭示了通过生态网络分析得出的七个主要生态群落。

• Cluster #1–6的多样性与代谢物的化学多样性和组成呈显著正相关。

• 通过对总体网络拓扑特征的维度缩减分析，量化了每个样本的网络复杂性。

• 由于Comp.1解释了拓扑特征中最多的变异并且与这些特征显著正相关，因此我们使用Comp.1来表征网络复杂性。

• Spearman相关分析表明，主要网络拓扑特征与根际土壤代谢物和微生物群落的多样性和组成，以及植物氮和磷的吸收显著相关。

玉米根际土壤代谢物与微生物特征对植物氮磷吸收的预测能力和机制分析

• 随机森林分析显示，根际代谢物和微生物群落特征对植物氮（N）和磷（P）吸收的潜在预测能力。

• 变量如微生物网络复杂性、原生动物和共生真菌群落组成、原生动物多样性和代谢物化学多样性显著影响植物的N和P吸收。

• 结构方程模型进一步阐明了这些变量对植物N和P吸收的直接和间接影响。

• 结果表明，根际代谢物的化学多样性和组成通过调节微生物多样性、群落组成和网络复杂性，间接影响植物的N和P吸收。

• SEM解释了植物N和P吸收变异的77%和71%。

• 微生物网络复杂性对植物N和P吸收具有最大的直接影响，其次是共生真菌群落组成和原生动物多样性。

• 根际代谢物的化学多样性和组成通过调节微生物多样性、群落组成和网络复杂性，对植物N和P吸收具有显著的间接影响。

• 线性回归分析表明，代谢物化学多样性、原生动物多样性和微生物网络复杂性与植物N和P吸收显著正相关。

• 共生真菌群落组成与植物N和P吸收显著相关。

• 盆栽实验显示，在灭菌土壤中生长的玉米作物相比于在自然土壤中生长的作物，表现出显著较差的生长和养分吸收。

• 具体表现为较矮的植物高度、较短的叶长、较窄的叶宽以及较低的SPAD值（叶绿素含量）、根系活性、植物N和P含量和生物量。

• 在自然土壤中，高浓度（C10或C100）的代谢物混合物（包括大豆皂苷B、6-羟基烟酸、石蒜碱、莽草酸和磷酸肌酸）的补充显著增强了植物高度、叶长、SPAD值、根系活性、植物N和P含量和生物量。

• 然而，在灭菌土壤中添加这些代谢物并没有显著提高这些指标。

• 大豆皂苷B：一种三萜皂苷，已知具有化感和健康促进作用，与根茎发育相关。间作中的豆科植物根系富含大豆皂苷B，有助于提高根系活力。

• 6-羟基烟酸：烟酸代谢的必需产物，可改变作物的生理和生化特性，增强水分获取能力，且在植物自制杀虫剂合成中起关键作用。

• 莽草酸：外源补充莽草酸可促进有益真菌（如木霉菌）的根际定殖，增强植物抗病性，同时在植物生长的重要代谢物酪氨酸合成中起关键作用。

• 石蒜碱：一种主要来源于石蒜的生物碱，具有化感潜力，可抑制邻近杂草的生长。

• 磷酸肌酸：一种含磷代谢物，不仅提高土壤P水平，还通过水解释放大量能量，增强土壤代谢活性。