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土壤是农业生态系统中最重要的组成部分，是作物赖以生存的基础物质。土壤肥力是影响作物产量的主要因素，土壤微生物是土壤生物量的重要组成部分。植物根际土壤微生物在改善土壤肥力和促进作物健康生长发面发挥着重要作用。土壤养分、土壤酶活性和土壤微生物多样性是植物根际土壤肥力的重要指示指标。近年来，随着高通量测序技术的应用，植物根际土壤微生物多样性的研究及功能微生物在土壤中发挥的作用逐步得到了证实。土壤中微生物参与土壤氮(nitrogen, N)、磷(phosphorus, P)和钾(potassium, K)的循环，土壤有机碳(soilorganic carbon，SOC)的分解和利用及土传病害的抑制。另外，一些土壤微生物作为植物致病菌引起了农作物的病害。谷子(Setaria italica)作为一种重要谷类作物，具耐瘠薄、耐干旱和抗逆性强的特点，常被用作土壤改良的先锋作物种植于我国北方干旱和半干旱地区。
本课题主要以谷子根际土壤为研究对象，以谷子产量为衡量指标，对不同的管理模式和土地利用方式下谷子根际土壤养分、微生物量碳(microbial biomass carbon，MBC)和微生物量氮(MBN)进行了测定；对轮作模式下谷子农艺特征、光合指标和抗氧化物酶活性进行了测定；对不同施肥处理、生土和熟土处理及不同轮作模式下所有土壤样品进行了16SrDNA高通量测序；轮作模式下的土壤样品增加了真菌多样性分析；对所有样品的细菌16SrDNA、Pseudomonasspp、nifH、nirS和nirK基因及轮作土壤中真菌ITS区做了荧光定量(real time quantitative PCR，qPCR)检测。主要结果如下：
1.不同施肥处理的结果：与PKM、NKM、NPM和NPK相比，N、P、K和有机肥(manure, M)配合施用(NPKM)组，谷子产量最高；土壤有效氮(available nitrogen，AN)、AP、SOC、MBC和MBN的含量及C/N值最高；在门水平，变形杆菌门(Actinobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)的相对丰度增加；在属水平，Devosia、Mycobacterium、Opitutus和Chitinophaga的相对丰度增加。冗余分析(redundancy analysis, RDA)显示，AN与Devosia和Mycobacterium的相对丰度呈极显著正相关；SOM与Opitutus和Chitinophaga的相对丰度呈极显著正相关。qPCR结果显示：NPKM组nifH、nirS和nirH基因的丰度显著增加。说明氮和有机肥利于土壤中固氮菌的增殖和细菌多样性的增加，提高了土壤酶活性和谷子产量。
2.生土熟化过程的实验结果：与母质生土相比，熟土中，AN、AP、SOC、MBC和MBN的含量及C/N和MBC/MBN值最高，谷子产量也最高；在门水平，变形杆菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)的相对丰度增加；在属水平，Caenimonas、Gemmatimonas、Lysobacter、Ramlibacter、Devosia、Mycobacterium和Streptomyces的相对丰度增加，且与SOC，AN的含量及C/N值呈高度正相关。qPCR结果显示nifH基因丰度显著增加。我们推测Streptomyces、Neorhizobium和Devosia可能参与氮循环。
3.不同轮作模式对谷子农艺特征和生理生化的影响：与谷子连作相比，谷子(Setaria italica，Si)-大豆(Glycine max，Gm)-马铃薯(Solanum tuberosum， St)轮作后，谷子产量、株高、穗长和千粒重增加。谷子旗叶丙二醛含量降低；气孔导度、光合速率、蒸腾速率和相对叶绿素含量升高；超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性降低；多酚氧化酶活性升高、谷子白发病发病率降低。
4.不同轮作模式的结果：与Si相比，Si-Gm-St显著提高了土壤AN、AP、AK、TK、SOC、BMC和BMN的含量及C/N值；土壤碱性磷酸酶和多酚氧化酶的活性升高。
细菌16SrDNA测序结果显示：与连作相比，Si-Gm-St组，在门水平上放线菌门(Actinobacteria )、变形菌门(Proteobacteria )、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)和蓝细菌(Cyanobacteria)的相对丰度增加；在属水平上增加了Pseudomonas、Lysobacter、Devosia、Acidovorax和Agromyce的相对丰度；RDA显示，这5个属与C/N值及AP、AN和SOC含量呈高度正相关；Pearson分析显示Pseudomonas的相对丰度与谷子发病率呈显著负相关。qPCR显示细菌Pseudomonasspp.和nifH基因的丰度在Si-Gm-St中显著高于轮作。真菌ITS测序结果显示：与谷子连作相比，Si-Gm-St轮作后，在门水平，担子菌门(Basidiomycoda)的相对丰度减少；在属水平，Buergenerula、Rhizophlyctis、Ophioceras、Cyathus、Preussia、Acremonium和Ilyonectria的相对丰度增加。qPCR结果显示，轮作后真菌与细菌的比值减小，真菌多样性增加；细菌丰度和多样性菌增加。
本课题主要以谷子根际土壤为研究对象，以谷子产量为衡量指标，对不同的管理模式和土地利用方式下谷子根际土壤养分、微生物量碳(microbial biomass carbon，MBC)和微生物量氮(MBN)进行了测定；对轮作模式下谷子农艺特征、光合指标和抗氧化物酶活性进行了测定；对不同施肥处理、生土和熟土处理及不同轮作模式下所有土壤样品进行了16SrDNA高通量测序；轮作模式下的土壤样品增加了真菌多样性分析；对所有样品的细菌16SrDNA、Pseudomonasspp、nifH、nirS和nirK基因及轮作土壤中真菌ITS区做了荧光定量(real time quantitative PCR，qPCR)检测。主要结果如下：
1.不同施肥处理的结果：与PKM、NKM、NPM和NPK相比，N、P、K和有机肥(manure, M)配合施用(NPKM)组，谷子产量最高；土壤有效氮(available nitrogen，AN)、AP、SOC、MBC和MBN的含量及C/N值最高；在门水平，变形杆菌门(Actinobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)的相对丰度增加；在属水平，Devosia、Mycobacterium、Opitutus和Chitinophaga的相对丰度增加。冗余分析(redundancy analysis, RDA)显示，AN与Devosia和Mycobacterium的相对丰度呈极显著正相关；SOM与Opitutus和Chitinophaga的相对丰度呈极显著正相关。qPCR结果显示：NPKM组nifH、nirS和nirH基因的丰度显著增加。说明氮和有机肥利于土壤中固氮菌的增殖和细菌多样性的增加，提高了土壤酶活性和谷子产量。
2.生土熟化过程的实验结果：与母质生土相比，熟土中，AN、AP、SOC、MBC和MBN的含量及C/N和MBC/MBN值最高，谷子产量也最高；在门水平，变形杆菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)的相对丰度增加；在属水平，Caenimonas、Gemmatimonas、Lysobacter、Ramlibacter、Devosia、Mycobacterium和Streptomyces的相对丰度增加，且与SOC，AN的含量及C/N值呈高度正相关。qPCR结果显示nifH基因丰度显著增加。我们推测Streptomyces、Neorhizobium和Devosia可能参与氮循环。
3.不同轮作模式对谷子农艺特征和生理生化的影响：与谷子连作相比，谷子(Setaria italica，Si)-大豆(Glycine max，Gm)-马铃薯(Solanum tuberosum， St)轮作后，谷子产量、株高、穗长和千粒重增加。谷子旗叶丙二醛含量降低；气孔导度、光合速率、蒸腾速率和相对叶绿素含量升高；超氧化物歧化酶和过氧化物酶活性降低；多酚氧化酶活性升高、谷子白发病发病率降低。
4.不同轮作模式的结果：与Si相比，Si-Gm-St显著提高了土壤AN、AP、AK、TK、SOC、BMC和BMN的含量及C/N值；土壤碱性磷酸酶和多酚氧化酶的活性升高。
细菌16SrDNA测序结果显示：与连作相比，Si-Gm-St组，在门水平上放线菌门(Actinobacteria )、变形菌门(Proteobacteria )、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)和蓝细菌(Cyanobacteria)的相对丰度增加；在属水平上增加了Pseudomonas、Lysobacter、Devosia、Acidovorax和Agromyce的相对丰度；RDA显示，这5个属与C/N值及AP、AN和SOC含量呈高度正相关；Pearson分析显示Pseudomonas的相对丰度与谷子发病率呈显著负相关。qPCR显示细菌Pseudomonasspp.和nifH基因的丰度在Si-Gm-St中显著高于轮作。真菌ITS测序结果显示：与谷子连作相比，Si-Gm-St轮作后，在门水平，担子菌门(Basidiomycoda)的相对丰度减少；在属水平，Buergenerula、Rhizophlyctis、Ophioceras、Cyathus、Preussia、Acremonium和Ilyonectria的相对丰度增加。qPCR结果显示，轮作后真菌与细菌的比值减小，真菌多样性增加；细菌丰度和多样性菌增加。