馬鈴薯作為全球廣泛種植和消費(fèi)的糧食作物之一，對(duì)保障糧食安全至關(guān)重要。然而，集約化的馬鈴薯種植導(dǎo)致了一系列環(huán)境挑戰(zhàn)，包括土壤退化、水資源枯竭以及微生物污染風(fēng)險(xiǎn)增加。特別是在半干旱地區(qū)，這些問(wèn)題被進(jìn)一步放大，因?yàn)樗Y源短缺和脆弱的生態(tài)系統(tǒng)加劇了農(nóng)業(yè)活動(dòng)的環(huán)境足跡。此外，過(guò)度依賴化肥和農(nóng)藥不僅導(dǎo)致土壤和水體污染，還對(duì)人類健康和生物多樣性構(gòu)成威脅。因此，探索可持續(xù)的農(nóng)業(yè)實(shí)踐以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)顯得尤為迫切。

基于此，大型真菌種質(zhì)資源與綠色發(fā)展專題攻關(guān)組和青藏高原植物進(jìn)化與適應(yīng)專題組展開了深入的交叉合作。雙方團(tuán)隊(duì)聚焦于牧草種植在半干旱地區(qū)馬鈴薯連作系統(tǒng)中的作用，深入探究其對(duì)土壤細(xì)菌、古菌群落，以及與危害相關(guān)的致病因子基因和抗生素抗性基因(ARGs)的影響(圖1)。

圖1 薯草輪作對(duì)土豆連作土壤中關(guān)鍵養(yǎng)分、微生物群落及抗性基因的影響

研究發(fā)現(xiàn)，薯草輪作顯著改變了土壤理化性質(zhì)。與非馬鈴薯種植相比，連續(xù)馬鈴薯種植顯著降低了土壤有機(jī)碳(從31.9 g kg?1降至15.7 g kg?1)和全氮(從3.7 g kg?1降至1.6 g kg?1)，表明土壤肥力顯著下降。在鑒定的十個(gè)門中，變形菌(Proteobacteria)相對(duì)豐度最高，從34.6%升至38.4%，其次是放線菌門(Actinobacteria)，介于20 ~ 36%之間。這兩個(gè)門在維持土壤健康中發(fā)揮關(guān)鍵作用。此外，連續(xù)馬鈴薯種植(CPC)比非馬鈴薯種植(NPC)產(chǎn)生了更多特定ARGs，這表明CPC可在土壤微生物組中選擇特定的抗性特征，且與土壤微生物組成關(guān)系密切(圖1)。牧草作物(燕麥或燕麥與豌豆的混合)在不同生長(zhǎng)階段對(duì)ARGs的影響不同。燕麥的開花階段和成熟階段之間的差異表明，植物生長(zhǎng)和根系分泌物的組成會(huì)影響微生物群落和ARGs的升高。曼特爾檢驗(yàn)進(jìn)一步表明，特定的土壤性質(zhì)會(huì)影響微生物類群的豐度，并決定抗生素抗性相關(guān)的關(guān)鍵功能基因的表達(dá)。這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了微生物群落、基因和土壤健康之間的復(fù)雜相互作用(圖1)，為制定管理土壤健康和減輕連續(xù)種植土壤中抗生素抗性問(wèn)題的農(nóng)業(yè)實(shí)踐提供了重要指導(dǎo)。

該研究強(qiáng)調(diào)了作物多樣化，特別是通過(guò)引入牧草種植，在保護(hù)土壤健康和維持微生物多樣性方面的益處。結(jié)果為開發(fā)可持續(xù)農(nóng)業(yè)策略提供了寶貴視角，這些策略可提升土壤肥力，促進(jìn)半干旱地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。未來(lái)研究會(huì)進(jìn)一步探索牧草種植對(duì)土壤微生物群落和ARGs的長(zhǎng)期影響，并開發(fā)更有效的管理策略，以優(yōu)化馬鈴薯生產(chǎn)，同時(shí)減少與連作相關(guān)的環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)。

研究成果以Combatting environmental impacts and microbiological pollution risks in Potato cropping: benefits of forage cultivation in a semi-arid region為題，發(fā)表在環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)1區(qū)TOP期刊Resources Environment and Sustainability。研究得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA26050301,XDA26050302)、云南省興滇人才支持計(jì)劃“青年人才”項(xiàng)目(YNQR-QNRC-2019-025)和云南省基礎(chǔ)研究重大項(xiàng)目(202401BC070001)的支持。