《Applied Soil Ecology》：Perennial intermediate wheatgrass: A game-changer for mycobiome diversity
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土壤耕作系统对真菌群落的影响研究：多年生小麦草（IWG）与一年生冬小麦（WW）的根际及内生真菌多样性、组成及功能差异分析，揭示土壤有机碳、氮及磷含量对真菌多样性的调控作用。
埃迪塔·德贾-西科拉（Edyta Deja-Sikora）| 马尔钦·戈伦别夫斯基（Marcin Go??biewski）| 马尔钦·西科拉（Marcin Sikora）| 弗兰克·拉舍（Frank Rasche）| 卡塔兹yna·赫林凯维奇（Katarzyna Hrynkiewicz）
波兰托伦尼古拉斯·哥白尼大学（Nicolaus Copernicus University）生物与兽医科学学院微生物学系
摘要
引入多年生谷物，如中间小麦草（Intermediate Wheatgrass, IWG），为可持续土地利用提供了一条有前景的道路。然而，微生物群落，特别是丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi, AMF），对一年生和多年生种植方式的特定反应仍知之甚少。我们的研究旨在阐明与两种不同农业实践相关的根际和内生微生物群落的多样性、组成和功能特征：一年生作物轮作与冬小麦（Winter Wheat, WW）以及免耕种植与多年生IWG。通过ITS和18S rRNA扩增子测序，我们探讨了作物类型如何影响位于不同欧洲国家（比利时、法国和瑞典）的三组田地中真菌群落的多样性和结构。研究表明，多年生种植系统可以从真菌驱动的过程中受益，例如有机物分解，这得益于腐生菌的更大贡献。IWG支持更丰富的根际微生物群落，但这种效应受到当地土壤条件的调节，总有机碳和氮对真菌多样性的影响显著，从而超过了作物类型的影响。无论种植系统如何，菌根真菌群落都受到土壤磷含量的显著影响，土壤磷含量与根际AMF多样性呈负相关。与根相关的AMF群落受土壤磷含量的影响较小，更多地受到宿主特性的影响，IWG根系支持的AMF多样性高于一年生WW。功能分析显示，IWG根际内生菌和植物病原体的数量更多。这表明IWG根际具有更高的生态复杂性和更丰富的功能网络，涉及互利和拮抗相互作用。
引言
Thinopyrum intermedium（简称IWG）是由Barkworth和D.R. Dewey发现的野生草本植物，具有通过可持续方式生产谷物的潜力（Audu等人，2022年；Duchene等人，2020年；Rasche等人，2017年）。IWG的专利品种Kernza?的种植越来越受欢迎，目前在美国约有2405英亩的农田种植（The Land Institute，2024年）。在欧洲，Kernza?在法国（Duchene等人，2020年）、比利时（de Oliveira等人，2018年；Fagnant等人，2023a年）、瑞典（M?rtensson等人，2022年）、意大利（Bertola等人，2023年）等多个实验田中种植。多项研究表明，这种多功能冷季多年生作物是维护长期粮食安全和土壤健康的有希望的解决方案（Audu等人，2022年；Glover等人，2010年；Taylor等人，2023年）。
尽管IWG的谷物产量有限，但由于其相对于传统一年生谷物作物在环境方面的诸多优势，它已经引起了科学家和农民的广泛关注。过去几十年中，大部分可耕地采用一年生谷物种植系统，导致土壤侵蚀、养分流失和生物多样性丧失等一系列环境问题（Crews等人，2016年；Soto-Gómez和Pérez-Rodríguez，2022年）。为应对这些挑战，人们提出采取环保的农业实践，以保护生态系统服务、增强土壤食物网、减少化肥和农药的使用、促进土壤有机碳（SOC）的固存，并平衡养分循环（Chapman等人，2022年；DeHaan等人，2023年；Tang等人，2024年）。优先事项是实施模仿自然的创新种植理念，这是保护土壤功能和肥力的最可靠策略（Audu等人，2022年）。一旦IWG建立起来，就可以减少农艺管理，连续多个季节进行种植和收获。由于采用免耕种植，IWG田地类似于多年生草原和草原，全年都有植被覆盖土壤（Crews和Rumsey，2017年；DeHaan和Ismail，2017年；McKenna等人，2020年；Ryan等人，2018年）。IWG的种植不需要反复扰动土壤表面，使多年生作物能够发展出大量的根系生物量，达到一年生小麦的12-16倍（Sainju等人，2017年）。IWG密集的根系可以穿透土壤层，深度达3米，在稳定土壤结构方面发挥重要作用，防止风蚀和水蚀，并影响SOC的沉积（DeHaan和Ismail，2017年）。尽管先前的研究关于多年生和一年生小麦系统中SOC水平和分布的结果不一致（Audu等人，2022年；Peixoto等人，2022年；Tang等人，2024年；Taylor等人，2023年），但普遍认为，像IWG这样的深根多年生作物能够增强SOC的稳定性并促进其在底土中的储存（Audu等人，2022年）。
集约化耕作会导致土壤健康状况急剧下降，伴随微生物多样性的丧失，无论是结构上的还是功能上的（Banerjee等人，2024年；Gossner等人，2016年；Tsiafouli等人，2015年）。保护这种多样性对整个田地生态系统的恢复力至关重要。土壤微生物群落有助于养分吸收、次级代谢产物的分泌以及碳（C）和氮（N）的转化（Xiong和Lu，2022年）。根际微生物，如促进植物生长的细菌和真菌、丛枝菌根真菌（AMF）和放线菌，与植物之间存在互利关系（Chauhan等人，2023年）。AMF以其抑制许多植物病原体（包括细菌、真菌和线虫）的能力而闻名（Weng等人，2022年）。了解不同种植系统中的微生物群落差异对于实施增强有益微生物功能、土壤健康和农业生态系统恢复力的措施至关重要，最终实现可持续的作物生产。具有较长生长季节和永久土壤覆盖的深根多年生作物预计将通过提供稳定的栖息地来促进土壤微生物多样性。此外，IWG的根系分泌物可以改善土壤的生物性质（例如有机物保留），从而支持各种微生物群的生长（Ma等人，2022b年；McKenna等人，2020年）。多年生谷物作物与土壤微生物之间的关系尚未得到充分探索。虽然有一些文章描述了与IWG相关的细菌群落（Bak等人，2022年；Strohm等人，2023年；Taylor等人，2023年），但我们对与多年生IWG相关的微生物群落的理解仍然有限。最近的研究揭示了IWG相比耕作的一年生小麦能够增加土壤中真菌与细菌的比例，表明耕作对微生物群落有负面影响（Taylor等人，2023年）。在确保自然和农业系统稳定性和生产力方面起关键作用的真菌群落特别受到种植系统实践的影响。一年生种植系统的土壤物理结构变化，包括土壤压实增加和植物来源资源的减少，导致以腐生菌、互利菌和病原菌为主的真菌功能群发生变化（McKenna等人，2020年）。互利型AMF与大多数陆地植物的根系形成丛枝菌根，包括许多作物（Kalamulla等人，2022年；Rillig等人，2019年）。这些真菌增强了植物的养分吸收和水分获取能力，诱导植物对病原体的防御反应，并提高植物对环境压力的耐受性（Deja-Sikora等人，2023年；Deja-Sikora等人，2020年）。由于耕作过程中菌丝网络的破坏，AMF的数量严重减少，对田地生态系统造成严重影响，包括植物健康、谷物质量和养分循环的恶化（McKenna等人，2020年）。此外，集约化耕作下土壤中病原体数量的增加（Banerjee等人，2024年）可能与植物病害增加和产量损失有关。
我们的目标是表征两种不同的谷物种植系统的微生物群落：一种基于一年生WW的作物轮作，另一种基于种植4到5年的多年生IWG。田间研究单元（Field Research Units, FRUs）位于三个欧洲国家，即瑞典、比利时和法国，每个国家都有不同的土壤气候条件。我们采用宏基因组学方法，研究了耕作和免耕根际土壤中的真菌多样性、群落结构和功能。此外，我们还研究了定殖在一年生WW和多年生IWG根部和叶片上的内生真菌的多样性。我们假设由于土壤层受到的干扰较少，多年生种植系统的土壤将表现出更大的真菌多样性，这体现在ASV数量更多和/或分类单元的均匀性更高。此外，我们重点关注研究地点中AMF的多样性，预计IWG会创造一个有利于菌根形成的环境，从而支持更多样化的AMF群落。
研究单元描述
研究单元的建立
研究单元（FRUs）设立在三个欧洲国家，即法国、比利时和瑞典，作为长期实验的一部分，旨在研究对比一年生和多年生谷物种植系统、土壤管理实践和环境条件对土壤有机质储存和循环以及作物生产力的影响。这些研究单元之前已经进行了详细表征，早期研究重点关注土壤有机质含量、一般微生物活性等。
土壤的物理化学参数
主成分分析（PCA）显示，PC1和PC2解释了总变异的91%以上，表明采样点根据其地理位置和种植系统类型进行了区分（补充图1）。法国的土壤表现出最高的总有机碳（TOC）和总氮（TN）含量。这些土壤还显示出最高的微生物生物量（Cmic和Nmic）。比利时的土壤中观察到最高的植物可利用磷（P）含量，这使它们与其他土壤明显不同。瑞典土壤的特点是...
讨论
与早期主要关注土壤有机质沉积、微生物酶活性及相关C和N循环过程的研究不同，本研究探讨了与IWG和WW相关的根际和内生微生物群落。虽然实验框架保持不变，但关注点的转变提供了关于长期种植系统如何影响微生物群落多样性的新见解。
结论
本研究支持这样的假设：多年生IWG的种植比一年生WW更能增强真菌多样性，特别是在根际和根相关的AMF群落中观察到了显著的效果。这些效应受到特定地点土壤性质的影响，包括TOC、TN和P，表明土壤养分状况可以限制或放大作物驱动的真菌多样性模式。多年生IWG的根系始终容纳更多样化的AMF群落，反映了...
作者贡献声明
埃迪塔·德贾-西科拉（Edyta Deja-Sikora）：可视化、验证、方法学、调查、数据分析、数据整理、初稿撰写。马尔钦·戈伦别夫斯基（Marcin Go??biewski）：方法学、审稿和编辑。马尔钦·西科拉（Marcin Sikora）：方法学。弗兰克·拉舍（Frank Rasche）：监督、概念化、审稿和编辑。卡塔兹yna·赫林凯维奇（Katarzyna Hrynkiewicz）：监督、项目管理、方法学、资金获取、概念化、审稿和编辑。
资助
这项研究是作为NAPERDIV（2019–2020 BiodivERsA联合项目）的一部分进行的，属于BiodivClim ERA-Net COFUND计划。资金由波兰国家科学中心（NCN）提供给卡塔兹yna Hrynkiewicz，项目编号为2020/02/Y/NZ9/00007。这项工作还得到了法国国家科学研究基金（Fonds de la Recherche Scientifique - FNRS）的部分支持，项目编号为549R.8003.20。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
致谢
作者感谢Kristina Michl和Sulemana Issifu收集植物和土壤样本；Makoto Kanasugi、Dominika Thiem和Zbigniew Strzelecki参与植物材料灭菌；Makoto Kanasugi进行DNA分离和扩增子制备（基于EDS和MS开发的方法）。我们感谢Agropole-ISARA Lyon、瑞典农业科学大学（SLU）的SITES L?nnstorp研究站以及Gembloux Agro-Bio Tech的工作人员。
