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文|长歌史说

编辑|长歌史说

前言

党参是一种药食两用的多年生草本植物，具有丰富的营养和药用价值。在中国甘肃省，党参的生产质量和产量在不同季节有所不同。

在这里，我们调查了四个季节党参根际土壤和根系微生物群落的组成与代谢功能的差异，并分析了它们对党参生长及其碳水化合物含量变化的动态作用和协同作用。

使用高通量测序技术分析了植物生理学指标、微生物组成以及根际土壤和根系中的代谢功能。还使用色谱-光谱联用技术测定了环境指标，包括土壤理化性质和气象条件。

结果显示，党参的生长受温度、降水量和光照强度的影响，土壤和根系样品的细菌结构和功能在不同季节呈现出明显的变化。

由于微生物组成和代谢功能的多样性，以及微生物与环境因素的协同作用，导致党参的抗逆性、生理状态和代谢产物在不同季节存在显著差异。

季节变化与党参的品质和产量显著相关。本研究为土壤改良和改进当地党参栽培方法提供了科学依据。

一、党参的好处

党参属于桔梗科植物，是一种药用价值丰富的多年生草本植物。它含有蛋白质、紫苏苷、多糖、氨基酸、矿物质等活性成分，对人体有益。

党参是一种传统药用植物，在许多国家和地区广泛种植，主要分布在中亚、东亚和东南亚。中国甘肃省是党参的主要产区之一。

近年来，由于生态环境恶化和当地土壤质地、温度、降雨等环境条件的变化，党参的品质和产量都受到一定影响。

如何提高党参的品质和产量，进一步探究生物或非生物胁迫对植物根际微生态、植物生长发育和代谢产物积累的影响，成为当前的研究热点。

许多学者致力于研究影响党参生长发育的环境条件和微生物，并鉴定了党参根的一些主要致病菌；同时，还获得了促进党参种子萌发、植株生长和光合作用的有益土壤微生物。许多不同的研究小组已经独立探索了影响党参生长的内部和外部因素。

周等分析了连作条件下党参草土壤条件的变化，发现连作会减少党参草生长土壤环境中的 N、P、K 等主要养分，从而阻碍了党参的生长发育。Wojciech和Xie等评价和改进了党参的种植技术，为提高党参的品质和产量提供了科学和理论依据。

事实证明，党参的生长变化可能受到各种内部和外部因素的影响。到目前为止，很少有研究关注土壤理化性质的季节性变化和特定根际微生物群落对党参生长的影响。

我们研究了四个季节根际土壤和根系微生物群落结构及其功能的差异，以及它们与党参生长及其碳水化合物含量变化的关系。

我们的研究目标是:1) 分析不同季节党参根际土壤和根系微生物群落的α、β多样性及其组成； 2)预测细菌功能并分析其与环境因子和植物生长指标的相关性； 3)鉴定影响党参生长的关键环境因子及其相互作用； 4)探讨季节变化与党参生长及其品质的关系。

本研究结果为改进当地党参生产方法和提高产量质量提供理论依据采集根际土壤、根系和非根际土壤样品。

测定土壤理化指标、植物生理指标和环境因子，采用Illumina MiSeq测序技术分析微生物群落结构，并预测微生物功能。使用SPSS20.0统计软件进行数据处理和相关性分析。

研究结果表明，与非根际土壤相比，党参的根际土壤理化性质在不同季节发生了变化，其中蛋白酶活性和含水量的变化最为明显。

一些理化性质，如含水量、钾和速效钾与环境因素也显著相关。这表明党参的根际土壤中更多的理化性质可能与土壤和植物之间的代谢调节显著相关。研究还分析了党参根际土壤和根内生细菌的α和β多样性。

结果显示，夏季党参根际土壤微生物丰富度和多样性最低，冬季党参根内生微生物丰富度和多样性最低。优势菌属与根际土壤理化指标也显著相关。这表明根际土壤微生物群落组成与理化指标的变化可能影响党参不同时期的生长。

PICRUSt预测结果显示，化能异养和好氧化能异养是根际土壤细菌的主要功能，而无脊椎动物寄生、化学异养和好氧化学异养是根内生细菌的主要功能。这些功能在不同季节的变化也可能影响党参的生长和代谢。

通过对党参根系和叶片的测定，我们发现党参在不同时期的生长、抗逆指标和代谢产物含量变化明显，这表明党参的生长发育受环境条件影响较大。

结构方程模型分析表明，重要的环境因子，如光照、温度和降水可直接影响党参的生理和生化特性。本研究结果为提高党参的产量质量及改进栽培技术提供理论依据。

二、不同季节党参根际土壤理化性质

研究分析了党参根际土壤和非根际土壤在四季的理化性质变化。结果显示，与非根际土壤相比，党参根际土壤中的PRO酶活性在不同季节均有所下降，而非根际土壤中的PRO酶活性在秋季达到最高。

除PRO酶活性和土壤含水量(WC)外，根际土壤和非根际土壤在其他理化指标上差异不大。不同季节的土壤WC、pH值和电导率(EC)之间存在显著差异。

土壤中有机质(OM)、碱解氮(AN)、全磷(TP)和速效磷(AP)的含量随季节呈极化变化，即春季和夏季的值接近，秋季和冬季的值也接近。秋季土壤全氮(TN)含量最高，而春季土壤的速效钾(TK)和交换性钾(AK)的含量明显高于其他季节。

土壤中糖酶(SUC)的活性随着季节的变化而显著增加，其中夏季和秋季差异最大。而脲酶(URE)的活性则随季节变化而显著降低。

相关性分析显示，土壤WC、TK和AK等理化因子与温度、降水量和光照强度之间存在显著相关性。结合理化因子和环境因子的相关性，本研究推测土壤酶活性也会受环境条件的影响，但影响不显著。

如PRO酶在根际土壤和非根际土壤中的活性之间不存在显著相关性，这表明PRO酶活性在党参的生长调节过程中发生了较大变化。

一方面，由于党参生长调节，根际土壤的理化指标与非根际土壤相比发生了变化，尤其是PRO酶活性和WC的变化最为明显。另一方面，WC、TK和AK等部分理化因子也与环境因子存在显著相关性。更多的理化因子可能与土壤和植物之间的代谢调节存在显著相关。

α多样性分析显示，SHCA、SHCS和SHCX在根际土壤的OPERATIONAL TAXONOMIC UNITS(OTUs)香农指数上存在显著差异，而四个季节根际土壤OTUs的辛普森指数没有显著差异。

不同季节党参根系内源OTUs的香农指数和辛普森指数存在显著差异，其中夏季根际土壤微生物的丰度和多样性最低，冬季内生微生物的丰度和多样性最低。

我们还分析了优势细菌与根际土壤理化指标之间的相关性。优势细菌微小杆菌与SUC、CAT、PRO、OM、AP、AN和TN之间存在显著正相关性，而与URE、TP和EC之间存在显著负相关性。

其他优势细菌，如Nitrospira、Acinetobacter和Bacillus，也显示出类似的相关性。而Lysobacter、Pseudomonas和Anoxybacillus与理化指标的相关性则与微小杆菌相反。这些结果表明，不同季节细菌群落的组成与根际土壤理化指标之间存在显著相关性。

土壤细菌群落的组成和理化指标的变化会随季节变化而变化，这种变化会影响不同时期党参的生长。

使用PICRUSt预测细菌群落的功能。预测结果显示，化能异养和好氧化能异养是根际土壤样品中细菌的主要功能，其中夏季这些功能活动的比例变化最大，比春季分别增加了3.46%和3.52%。

土壤细菌群落的其他功能更加复杂，不同四个季节之间的变化更加稳定。根内生细菌的主要功能是无脊椎动物寄生、化学异养和好氧化学异养。其中，无脊椎动物寄生虫功能在不同季节的丰度存在显著差异。

根内生微生物化学异养和好氧化学异养代谢功能在不同季节也存在显著差异，其中夏季化学异养代谢功能和好氧化学异养功能代谢功能比春季分别低10.1%和10.2%。

研究党参的碳水化合物(糖)含量、抗逆酶和根系表型。大多数与抗逆相关的酶活性不同季节无差异，但活性变化明显。ReS、Fru含量春夏高于秋冬。

根长和根径秋冬高于春夏，春夏根长增加最快，秋冬根径增加最快。推测党参根在春夏主要垂直生长，秋冬主要水平生长。

RDA分析了根际土壤理化指标与细菌，构建了影响党参生长的SEM模型，分析了与季节变化相关的关键环境因子与党参生长调控的相关性。

RDA结果显示，根际土壤细菌群落结构变异的51.49%由两个典型轴解释，RDA1和RDA2分别占42.2%和9.28%。根内生细菌群落结构变异的93.34%由RDA解释，RDA1和RDA2分别占92.63%和0.71%。WC、EC、pH、TN、AN、TP和AP是影响细菌群落结构的主要因素。

结论

非根际土壤、根际土壤和根系样品分析显示，季节与党参土壤理化指标相关，可能进一步影响生长、抗逆性和代谢。

根在春夏主要垂直生长，秋冬主要水平生长。这表明春播植物生长与季节变化相关，根际细菌和根内生细菌在养分供给中发挥重要作用。

本研究阐明了季节变化与关键细菌和党参种群之间的相关性，为进一步探索微生物改良药用植物的质量和产量提供理论依据。

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