稻田輪作增產(chǎn)背后的“微生物密碼” | 科技前線

水稻是全球半數(shù)以上人口的主糧。在亞熱帶稻作區(qū)，輪作是廣泛采用的可持續(xù)集約化策略，能夠提升作物產(chǎn)量。然而，這種產(chǎn)量提升是否與生態(tài)系統(tǒng)功能存在“此消彼長(zhǎng)”的權(quán)衡關(guān)系，以及其背后潛在的土壤微生物機(jī)制，目前尚不明確。

近期，中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所研究團(tuán)隊(duì)，以安寧河流域稻田為研究對(duì)象，整合高通量測(cè)序和宏基因組等組學(xué)多維度分析，系統(tǒng)揭示了輪作通過重塑土壤微生物群落影響稻田生產(chǎn)力和生態(tài)功能的內(nèi)在機(jī)制，為優(yōu)化亞熱帶稻田管理策略提供了科學(xué)支撐。

▲安寧河谷輪作微生物組裝—功能基因影響生產(chǎn)—生態(tài)權(quán)衡機(jī)制

01

輪作強(qiáng)化微生物

群落組裝空間結(jié)構(gòu)性

研究采集45個(gè)稻田樣本（15個(gè)單作、30個(gè)輪作），依據(jù)相對(duì)豐度將微生物物種劃分為豐富（>0.1%）、中等和稀有（<0.01%）三個(gè)類別。結(jié)合距離衰減關(guān)系、中性群落模型分析發(fā)現(xiàn)，輪作系統(tǒng)中微生物群落相似度隨地理距離下降的趨勢(shì)更顯著，群落構(gòu)建更偏離中性模型，表明輪作增強(qiáng)了環(huán)境篩選作用，讓微生物空間分布更具規(guī)律。

通過多樣性分析、變異分解分析等方法，量化環(huán)境因子影響后發(fā)現(xiàn)，輪作與單作的微生物群落可清晰區(qū)分，輪作系統(tǒng)中土壤因子對(duì)群落變異的解釋力遠(yuǎn)高于單作，其中土壤有機(jī)碳是最關(guān)鍵的驅(qū)動(dòng)因子，證實(shí)輪作通過改變土壤環(huán)境強(qiáng)化了微生物篩選。

02

揭秘“增產(chǎn)功臣”

輪作系統(tǒng)的微生物網(wǎng)絡(luò)更復(fù)雜、更穩(wěn)定。優(yōu)勢(shì)類群中的變形菌門與稀有類群中的子囊菌門，其豐度與水稻產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)。此外，與碳氧化、固氮、磷礦化相關(guān)的功能基因豐度也與產(chǎn)量呈正相關(guān)。

那么，誰(shuí)才是輪作增產(chǎn)背后的“微生物功臣”？研究發(fā)現(xiàn)，土壤中那些數(shù)量極少的稀有微生物，就像一支精銳的“特種部隊(duì)”。它們雖然數(shù)量不多，卻掌握著維持土壤健康、促進(jìn)作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵“技能”，對(duì)輪作增產(chǎn)的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)超其數(shù)量比例。

03

“增產(chǎn)”與“生態(tài)”

權(quán)衡之道

輪作使水稻產(chǎn)量平均提升17.18%，但86%的樣點(diǎn)出現(xiàn)生態(tài)功能下降，不過仍有14%的樣點(diǎn)實(shí)現(xiàn)“產(chǎn)量—多功能性雙贏”，且兩者呈中等正相關(guān)。

這表明權(quán)衡增產(chǎn)和生態(tài)并非不可避免，通過精準(zhǔn)管理有望實(shí)現(xiàn)協(xié)同提升。結(jié)構(gòu)方程模型也揭示了，種植系統(tǒng)通過影響微生物群落間接調(diào)控產(chǎn)量和生態(tài)多功能性，土壤水分對(duì)產(chǎn)量有顯著正向影響。

這項(xiàng)研究深化了“土壤—微生物—生態(tài)系統(tǒng)功能”相互作用的理論認(rèn)知，為亞熱帶稻作區(qū)通過調(diào)控土壤有機(jī)碳、保護(hù)核心微生物類群，設(shè)計(jì)“增產(chǎn)與生態(tài)可持續(xù)協(xié)同”的稻田管理策略提供了實(shí)踐指導(dǎo)。

論文鏈接：

http://doi.org/10.1111/1365-2664.70262

來源：中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所

責(zé)任編輯：梁春雨