一区HR：南京农业大学房婉萍教授团队揭示茶树-豆科植物互作改善茶叶品质

研究背景

茶树(Camellia sinensis)是一种重要的经济作物，对茶树来说，氮尤为重要，它可以将吸收的活性氮利用谷氨酰胺合成酶基因(CsGS)和谷氨酸合成酶基因(CsGOGAT)快速转化为氨基酸。但化肥长期且过量使用会破坏环境。间作是一种有效的农业策略，不同植物种类和间作方式对土壤性质和微生物群落组成有很大影响，特别是豆科植物，能与固氮细菌形成共生关系，通过生物固氮(BNF)从大气中获取氮，形成低投入的农业系统。

凌恩生物客户南京农业大学房婉萍教授团队近期在Horticulture Research (IF=6.793)发表“Tea plant-legume intercropping simultaneously improves soil fertility and tea quality by changing Bacillus species composition”研究论文，文章利用16S rRNA扩增子与qPCR相结合的手段，研究了茶园间作豆科植物对土壤肥力、茶叶品质的影响，以及芽孢杆菌等有益菌的潜在变化。

发表期刊：Horticulture Research (IF=6.793)

发表时间：2022.2

样本类型：土壤

合作单位：南京农业大学

DOI: 10.1093/hr/uhac046

实验设计

在田间条件下进行试验，并制定与试验设计相关联的概念模型(如下所示)。

夏季（第I、II期）：大豆为间作植株，处理为对照组CK及实验组R。第I期为大豆开花或结荚；第II期为大豆在大约40天里分解转化为土壤。

冬季（第III、IV期），野豌豆为间作植株，处理为对照组CK、实验组R以及实验组RB，以及共同接种根瘤菌USDA110和芽孢杆菌Vic5。第III期为野豌豆开花和/或结荚，第IV期为野豌豆在大约30天里分解转化为土壤。

图1 实验设计示意图

分别在第I期(CK1和R1）第II期(CK2和R2）第III期（CK3和R3、RB3)和第IV期（CK4和R4、RB4)采集土壤和茶叶样品。

研究结果

1、茶树-大豆间作的生长性能

与单作相比，在第I期，间作的土壤总氮(TN)显著提高，氨基酸含量降低；在第II期，间作中SOM和TN显著提高，茶多酚和咖啡因含量显著降低，而叶片氨基酸含量有所提高。

为检测响应氨基酸合成的基因在茶叶中的表达，对CsGS和CsGOGAT进行了qPCR分析。在间作和单作期间，相对表达量CsGS在I期和II期显著增加。而CsGOGAT无统计学差异(图2h)。

图2 田间条件下单作和间作(大豆-茶树)的效果

2、细菌多样性和群落组成

细菌alpha多样性指数说明所有土壤样品的OTU数、Shannon 1指数和Chao 1指数均未发生显著变化。结果表明，茶园间作大豆显著改变了土壤细菌群落结构。在所有土壤样品中发现了8个细菌门（相对丰度> 1%)以及探究了每个样本的前15个优势属，不同的菌门在不同处理中有显著变化（图3a，3b）。根瘤菌的相对丰度显著增加，酸杆菌降低(图3c和3d)。对每个样品中芽孢杆菌的相对丰度进行比较(图3e)，结果表明，大豆间作在两个时期都降低了芽孢杆菌的相对丰度。

图3 间作改变了茶园土壤细菌群落组成

3 、芽孢杆菌的分离及其对豆科植物生长和结瘤的影响

CK2和R2土壤样品中分别有9个和7个芽孢杆菌。为了研究各芽孢杆菌与高效固氮慢生根瘤菌（Br. diazoefficiens USDA110）的共生性能，在大豆上进行了重氮效率试验。数据显示，在所有芽孢杆菌中，只有BM1被鉴定为解淀粉芽孢杆菌，在结瘤数量和氮酶活性方面都有改善。此外，盆栽结果表明，与单次接种相比，与BM1和Vic5共接种显著提高了野豌豆的高度、干重、根瘤数和固氮酶活性。

图4 芽孢杆菌BM1对盆栽野豌豆和黄芪性能的影响

4、 BM1菌株提高了茶树-野豌豆冬季间作系统的效率

根据野豌豆和黄芪的生物量(图4)，选择野豌豆作为冬季茶园间作植物。如图5所示，与单作相比，间作处理对SOM，TN的积累水平显著提高（图5c，d），共接种处理的氨基酸含量更高，在第III期和第IV期均降低了茶多酚含量，且在第IV期含量最小(图5f)。单次接种豆科芽孢杆菌Vic5 (R4处理)增加了芽孢杆菌的总菌数，但没有增加芽孢杆菌的孢子数和基因拷贝数。相反，Vic5和BM1同时接种，上述均显著增加。经统计分析，与CK4相比，R4处理没有提高PGP的芽孢杆菌的比例，而RB4处理显著提高。

图5 野豌豆间作对茶叶土壤肥力和次生代谢产物的影响

综上所述，本研究在茶园中对豆科植物作为间作植物的效果进行了研究，结果证实了“大豆夏、野豌豆冬”模式有利于提高土壤肥力和改善茶叶品质。在这种间作系统中，PGP芽孢杆菌可以作为生物刺激剂和接种剂，提高豆科和茶科植物的生长性能。

参考文献:

Tea plant-legume intercropping simultaneously improves soil fertility and tea quality by changing Bacillus species composition. Horticulture Research, 2022.

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