桔梗是常用大宗药材之一,具有重要的食用、药用和观赏价值,是药食同源植物。桔梗也是典型的忌连作植物,连作两年产量下降20%,连作五年以上,产量下降80%,甚至绝收。为缓解桔梗连作障碍,开展了桔梗与大葱间作研究。前期研究表明,间作大葱增加土壤速效氮、速效磷含量,提高了土壤碱性磷酸酶和多酚氧化酶活性和土壤细菌/真菌比。本实验进一步探究桔梗//大葱间作消减桔梗连作障碍的机理:应用GC-MS测定桔梗//大葱间作、桔梗单作、大葱单作根系分泌物;应用高通量Illumina Miseq技术分析桔梗//大葱间作、桔梗单作、大葱单作根际土壤微生物菌群结构;应用代谢组学实验技术研究并鉴定不同种植方式桔梗根部代谢差异。以期从桔梗根系生理代谢、根系分泌物和土壤微生物层面阐明桔梗//大葱间作消减桔梗连作障碍的机理。主要研究结果如下:1.桔梗单作、大葱单作、桔梗//大葱间作种植时从桔梗、大葱根系分泌物中共鉴定出39种化合物,烃类18种、脂肪酸类3种、苯类4种、苯酚类2种、胺类3种、醇类2种、含硫化合物2种、杂环类化合物5种。在已鉴定的39种化合物中19种化合物是不同种植方式中桔梗根系分泌物中共有成分,其百分含量从高到低为[6-(1,1-亚甲基双-(4-甲基-6-叔丁基苯酚)、N,N-二甲基十二酰胺、正三十六烷、2,4-3-甲基-1,2-二氢喹啉、2,4叔丁苯酚、15-Isobutyl-(13.alpha.H)-isocopalane(烷烃类化合物)、乙酸十八脂、二苄胺、棕榈酸甲酯、二十烷、β-谷固醇、十四烷、苯并噻唑、岩皂甾醇、三甲基十二烷、角鲨烯、2-甲硫基苯并噻唑、2,4-二甲基庚烷、十二甲基环六硅氧烷。间作大葱改变了桔梗根系分泌物种类和丰度。桔梗//大葱间作体系中桔梗根系分泌物中苯酚类、脂肪酸类、含硫化合物、胺类化合物丰度高于桔梗单作和大葱单作,而烷烃类化合物则低于桔梗单作、大葱单作。此外,桔梗//大葱间作还增加了桔梗根系分泌物总含量。与桔梗单作相比,在桔梗//大葱间作体系中桔梗根系分泌物中的苯并噻挫、2-甲硫基苯并噻唑、十二甲基环六硅氧烷和角鲨烯等有益化感物质含量显著提高,烷烃类化感抑制型化合物如三十六烷含量显著降低,降低桔梗根系分泌物的化感自毒作用。表明间大葱增加了桔梗根系有益化感物质的释放,有利于杀灭土壤病原菌,维护土壤微生态平衡。2.Illumina MiSeq高通量测序获得的数据在97%相似性水平上进行分类,并对OTU的代表序列进行物种注释,桔梗单作、大葱单作、桔梗//大葱间作种植土壤的细菌共注释到45个门、659个属、1425个种,优势菌门分别是酸杆菌门、变形杆菌门、绿弯菌门、放线菌门,酸杆菌门为细菌中的第一优势菌群,占细菌总数的37.86%~56.85%之间。真菌共注释到11个门、344个属、552个种,子囊菌门是真菌第一优势菌门,相对丰度为85.50%~90.49%,担子菌门是第二优势菌群,占5.91%~7.30%。与桔梗单作相比,桔梗//大葱间作增加了土壤中放线菌门丰度,提高了细菌/真菌比尤其是JC42和IJC32细菌比例明显升高,说明间作大葱改善了土壤微生态环境。桔梗//大葱间作增加了假单胞菌、硝化螺菌、拟杆菌等微生物比例,降低了赤霉菌的丰度。桔梗//大葱间作土壤细菌多样性高于大葱单作,低于桔梗单作。桔梗//大葱间作降低了真菌丰度,但提高了细菌/真菌比。表明桔梗//大葱间作优化了土壤微生物菌群结构。3.桔梗//大葱间作显著改变桔梗代谢产物,其中IJC32差异代谢物种类最多,734种,下调代谢物685种,上调49种,IJC42差异代谢物612种,下调532种,上调80种,IJC52差异化合物362种,下调166种,上调196种。酪氨酸代谢、核黄素代谢、甲烷代谢、氨酰生物合成、半胱氨酸和蛋氨酸代谢、泛素酮和其它萜类醌类化合物的生物合成、二苯乙烯,二芳基庚醇和姜辣素的生物合成、谷胱甘肽代谢、硫代谢、卟啉和叶绿素代谢、淀粉和蔗糖代谢、磷酸肌醇代谢、二萜生物合成、不饱和脂肪酸的生物合成、类黄酮生物合成、苯丙素的生物合成、氨酰生物合成是桔梗//大葱间作不同间作方式桔梗共有的差异代谢途径。4.桔梗//大葱间作增加桔梗根SOD、POD、CAT活性,显著降低丙二醛含量,IJC32MDA含量最低,仅为2.1 nmol/g,表明间作大葱有助于缓解桔梗连作对桔梗根系产生的逆境胁迫,桔梗//大葱间作是缓解桔梗连作障碍的有效间作模式。5.桔梗单作产量为3351.15 kg/hm~2,间作显著提高了桔梗产量,IJC32产量最高为5319.19 kg/hm~2,比桔梗单作增产58.73%,IJC52产量为5216.62 kg/hm~2,间作大葱时桔梗增产效果显著;同时,种植方式影响桔梗分根数,IJC32、IJC42增加桔梗侧根数,IJC52降低桔梗测根数。在市场中,桔梗侧根少,价格高,综合产量和实际销售价格,IJC52为较好的间作方式。6.桔梗药食兼用,可溶性糖是桔梗重要的食用指标,桔梗皂苷D、总酚、类黄酮是桔梗药用品质的衡量指标。桔梗//大葱间作显著提高桔梗可溶性糖含量,IJC32含量最高,470.23 mg/g,IJC42次之,463.07 mg/g,IJC52、SJG无显著差异。间作对桔梗皂苷D、总酚、类黄酮影响趋势基本一致,IJC32、IJC42间作模式降低了类黄酮和总酚含量,而IJC52桔梗类黄酮和总酚含量高于桔梗单作。间作大葱降低了桔梗皂苷D含量,但仍高于国家药典规定的标准。在3种间作模式中,桔梗皂苷D IJC52含量最高,8.47 mg/g,但仍低于桔梗单作9.21 mg/g。综合桔梗产量和品质指标,IJC52为较好的间作方式。桔梗//大葱间作时大葱鲜产量比大葱单作加产12.89%~17.21%,其中IJC52大葱产量最高,IJC32最低。综合大葱产量、桔梗产量和品质,田间种植推荐采用五行桔梗两行大葱间作模式。结论:桔梗//大葱间作增加了桔梗根系分泌物总量,提高了桔梗根系分泌物中杀菌物质苯并噻唑、2-甲硫基苯并噻唑、十二甲基环六硅氧烷和角鲨烯的含量,降低了化感自毒物质三十六烷含量。桔梗//大葱间作增加了土壤中放线菌门真菌的丰度和有益细菌假单胞菌、硝化螺菌、拟杆菌等细菌比例,降低了致病菌赤霉菌的丰度,改善土壤微生态平衡,有效消减因连作对桔梗根系产生的逆境胁迫,增加间作桔梗产量。间作大葱改变了桔梗根的代谢生理,影响桔梗品质。