生物炭刺激的植物表现与根际微生物多样性和代谢潜力密切相关

  生物炭的改良可以降低植物对叶和土壤传播病原体引起的病害的敏感性。生物炭土壤改良与叶片病原体之间缺乏物理联系，这表明系统范围内的植物防御系统在生物炭的存在下被激活，其可通过防御相关基因的上调而介导。促进生物炭刺激植物保护的机制仍然是深入研究的主题。这种“生物炭效应”的一个可能的解释是用生物炭改良土壤会改变根际的微生物群落，促进刺激植物生长和诱导植物抗性的有益微生物繁殖。  

  为了阐明产生“生物炭效应”的机制，本研究全面监测了番茄植株的发育和对叶片真菌病原灰霉病的抗性。使用原生生物炭和洗涤生物炭的改良和非改良土壤，由活性化学成分组成；同时通过高通量16S rRNA基因扩增序列和碳源利用谱分析了根际细菌群落的演替。

  试验设计  

  本研究进行了两个独立的实验。试验(I)旨在了解生物炭土壤改良对植物生长发育和叶面病菌抑制的影响。与根系相关细菌群落的演替和多时间点的微生物代谢潜力有关。试验(II)确定了不同的生物炭组分在单一时间点对叶面病原体抑制和与根相关的细菌群落结构和代谢潜力的贡献。  

  在这两个实验中，植物随机分布在温度控制的温室中，并保持在最佳施肥和灌溉条件下。在实验I中，每个处理的六株植物在四个时间点(第3，6，9，12周)取样，代表植物生长的各个阶段(幼苗，快速生长，开花和第一次果实)，以测定植物生理参数，叶片膜稳定性，叶矿物质，光合色素组成以及植物次生代谢物。

  主要研究成果  

  在生物炭改良土壤中生长的植物相对于未改良的土壤在大多数评估时间(第6，9和12周，P<0.001)具有更大的冠层生物量(图1a)。在移栽后第6周进行番茄植株对灰葡萄孢的易感性分析。在生物碳改良培养基中生长的植物上的感染番茄叶灰霉菌的平均面积比未改良培养基中生长的小70.5％(由AUDPC值计算，P<0.001)(图1b)。  

  另外，为了确定生物炭的哪一组分在“生物炭效应”中起主导作用，研究者分析了番茄植物在天然和无化学生物炭(CFB)的情况下对灰霉病的抗性实验(实验II)。在用生物炭改良的盆栽混合物中生长的植物相对于在未改良的盆栽混合物中生长的植物(从AUDPC值计算，P<0.001，图1c)，观察到灰霉病可感性降低40％。

  Fig. 1 Effect of biochar soil amendment on tomato growth and Botrytis cinerea gray mold severity.

  图1生物炭土壤改良对番茄生长及灰霉病菌严重程度的影响

  此外，生物炭改良和未改良土壤中生长的植物叶片中72种已鉴定的代谢物(包括氨基酸，羧酸和脂肪酸以及糖和磷酸化中间体)的浓度没有显着差异。尽管代谢物测定的单个比较分析未能显示总体处理之间的显着差异，但基于Bray-Curtis距离矩阵的20个植物生理参数(图2a)和72个植物代谢物(图2b)的分层聚类分析产生了四个主要植物生长周期相关的集群。在植物代谢物的情况下，基于生物炭处理，每个与生长周期有关的簇进一步分离(图2b)；然而，生理参数并非如此(图2a)。

  Fig. 2 Temporal effect of biochar soil amendment on tomato physiological parameters measured in Experiment I.

  图2试验Ⅰ中生物炭土壤改良对番茄生理参数的影响

  基于Bray-Curtis不相似距离矩阵的非对称多维尺度(NMDS)显示随着植物生长而变化的根部相关细菌组成的时间变化。生物炭改良和未改良的群落之间的细菌群落结构在第3周和第6周的早期发育阶段显着不同(图3a)。这些结果通过加权和未加权UniFrac分析进行验证，其显示与使用Bray-Curtis观察到的趋势类似的趋势。

  另外，天然生物炭和CFB改良均导致根部相关细菌群落相对于未改良样品的显着差异(图3b)。当比较两种生物炭处理的细菌群落与未经改良的样品时，检测到明显的统计学显着差异。在CFB和生物炭改良的处理之间也观察到细菌群落的显着差异；尽管根据加权UniFrac距离矩阵的差异不如对照与生物炭和对照与CFB比较的明显。

  Fig. 3 Effect of biochar soil amendment on root-associated microbial community composition.

  图3生物炭土壤改良对根相关微生物群落组成的影响

  根据整个系统发育型丰富度(图4a)和系统发育多样性(图4b)详细分析与根系相关的细菌多样性，结果清楚地表明，对于这两个指标，多样性的意义在每个测得的时间点上，生物炭的存在都能使多样性更高。生物炭改良样品的多样性在早期植物发育阶段更强烈地升高，类似于前面所述的NMDS分析；但在后期阶段也较高。此外，在CFB中检测到比天然生物炭更高的多样性(图4c，d)，表明洗涤可能降低了抑制细菌生长的化合物浓度。

  Fig. 4 Effect of biochar soil amendment on alpha diversity of root associated bacteria communities.

  图4生物炭土壤改良剂对根相关的细菌群落α多样性的影响

  16S rRNA基因扩增子测序数据的较低分类层次的系统发育特征揭示了许多科和属，在生物炭和CFB改良的样品中丰度与未改良处理相比具有显着不同的丰度(图5；表S5，S7)。在实验I中，大多数生物炭刺激的分类群在第6周观察到。这些分类群包括许多α-变形杆菌科及其相关属，包括慢生根瘤菌科Bradyrhizobiaceae，生丝微菌科Hyphomicrobiaceae，杆菌科Phyllobacteriaceae和疣状肠球菌科Verrucomicrobial(图5a，b)。相比之下，在实验II中，与生物炭和CFB处理中的放线菌科：微球菌科Micrococcaceae，分支杆菌科Microbacteriaceae和Geodermatophilaceae相关的属丰度显着升高；而在相对于对照的生物炭存在下，γ-变形杆菌科的黄单胞菌科Xanthomonadaceae丰度显着降低(图5c，d)。

  Fig. 5 Significant differences in the relative abundances(%)of root-associated bacterial families and genera after 6 wk of growth as determined by next generation sequencing of 16S rRNA gene amplicons.

  图5通过16S rRNA基因扩增子测序确定的6周生长后根相关细菌科和属的相对丰度（％）的显着差异

  基于碳源利用的生物炭改良和未改良处理中微生物群落代谢潜力的分析揭示了在两个实验中的根相关微生物群落明显分离，分别为第一和第二主成分(PC1和PC2)方差的25％和15％(图6)。在生物炭改良和未改良样品中，所有底物组的微生物代谢利用率在第6周最高，而且大多数Biolog EcoPlate底物组的生物炭改良提高了利用率(图7)。从第3周开始，生物炭改良土壤中的碳水化合物利用率一直较高(图7a)；然而，氨基酸的利用不受生物炭存在的影响(图7b)。生物炭改良向生长介质中引入了取代苯酚(甲酚，二甲苯酚和甲氧基苯酚)，苯甲酸和苯甲醛。这可能刺激了酚类化合物的利用率，这在生物炭改良后的第6周和第9周样品中显着升高，但与第12周时的未改良样品相似(图7c)。虽然酚类化合物的利用率在未改良样品中逐渐增加，但在生物炭改良后的样品中，在第6周后一直处于较高的水平(图7c)。

  Fig. 6 Effect of biochar soil amendment on root-associated microbial community carbon sources utilization.

  图6生物炭土壤改良对根系相关微生物群落碳源利用率的影响

  注：Biolog Ecoplates在实验I(a)中获得的碳底物利用模式的主成分分析(PCA)显示了生物炭改良(黑色符号)和未改良(开放符号)处理。Biolog Ecoplates在实验II(b)中获得的碳底物利用模式的主成分分析。

  Fig. 7 Effect of biochar soil amendment on root-associated microbial community carbon source utilization rates based on specific carbon families.

  图7生物炭土壤改良剂对基于特定的碳家族的根系相关微生物群落碳源利用率的影响

  总结

  研究表明，生物炭改良显着增加细菌多样性和刺激与酚类化合物和碳水化合物代谢相关的群落。虽然生物炭的组成可能会随着起始原料和制备条件的变化而发生显着变化，但在不同类型的土壤和生物炭的多重实验中已证明微生物多样性增加的事实表明，这种现象在生物炭改良中无处不在。提出两种假设，首先是更高的微生物和功能多样性刺激根有关信号抗原决定簇，有助于植物防御反应。这种多样性的丰富可能是由于释放非活化的生物炭相关有机化合物或由生物炭的多孔碳结构产生的物理属性导致的有机多样性增加引起的，生物炭的多孔碳结构被假定为扩大生态位和减少放牧。或者，非活性的生物碳相关的有机化合物被释放到土壤中，可以直接与植物根系相互作用，刺激植物的生长和防御机制。需要进一步的研究来阐明每一个因素的贡献，并确定与“生物炭效应”有关的特定生物炭相关表位。

  点击链接https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/nph.14253查看论文全文