馬鈴薯作為全球廣泛種植和消費的糧食作物之一，對保障糧食安全至關重要。然而，集約化的馬鈴薯種植導致了一系列環(huán)境挑戰(zhàn)，包括土壤退化、水資源枯竭以及微生物污染風險增加。特別是在半干旱地區(qū)，這些問題被進一步放大，因為水資源短缺和脆弱的生態(tài)系統(tǒng)加劇了農業(yè)活動的環(huán)境足跡。此外，過度依賴化肥和農藥不僅導致土壤和水體污染，還對人類健康和生物多樣性構成威脅。因此，探索可持續(xù)的農業(yè)實踐以應對這些挑戰(zhàn)顯得尤為迫切。

基于此，大型真菌種質資源與綠色發(fā)展專題攻關組和青藏高原植物進化與適應專題組展開了深入的交叉合作。雙方團隊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，深入探究其對土壤細菌、古菌群落，以及與危害相關的致病因子基因和抗生素抗性基因(ARGs)的影響(圖1)。

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

研究發(fā)現，薯草輪作顯著改變了土壤理化性質。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。在鑒定的十個門中，變形菌(Proteobacteria)相對豐度最高，從34.6%升至38.4%，其次是放線菌門(Actinobacteria)，介于20 ~ 36%之間。這兩個門在維持土壤健康中發(fā)揮關鍵作用。此外，連續(xù)馬鈴薯種植(CPC)比非馬鈴薯種植(NPC)產生了更多特定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)在不同生長階段對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，植物生長和根系分泌物的組成會影響微生物群落和ARGs的升高。曼特爾檢驗進一步表明，特定的土壤性質會影響微生物類群的豐度，并決定抗生素抗性相關的關鍵功能基因的表達。這些發(fā)現強調了微生物群落、基因和土壤健康之間的復雜相互作用(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題的農業(yè)實踐提供了重要指導。

該研究強調了作物多樣化，特別是通過引入牧草種植，在保護土壤健康和維持微生物多樣性方面的益處。結果為開發(fā)可持續(xù)農業(yè)策略提供了寶貴視角，這些策略可提升土壤肥力，促進半干旱地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。未來研究會進一步探索牧草種植對土壤微生物群落和ARGs的長期影響，并開發(fā)更有效的管理策略，以優(yōu)化馬鈴薯生產，同時減少與連作相關的環(huán)境和健康風險。

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)境科學與生態(tài)學1區(qū)TOP期刊Resources Environment and Sustainability。研究得到了中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(XDA26050301,XDA26050302)、云南省興滇人才支持計劃“青年人才”項目(YNQR-QNRC-2019-025)和云南省基礎研究重大項目(202401BC070001)的支持。