没貂用】常识失效:轮作增收不一定要“避亲”

现代农业的特点是单一作物大规模种植。长期种植同一种作物的土壤可能会变得越来越不利于该作物生长,从而造成连作表现不佳,称为“连作障碍”。连作障碍是一种负植物土壤反馈(Negative plant soil feedback, PSF)。植物土壤反馈是说,上一代植物改造了土壤环境,留下了“遗产Legacy”,而这种遗产对下一代同物种植物的生长产生了负面影响。目前研究表明,土壤中的微生物是植物土壤反馈的决定因素。

轮作是一种解决负反馈的策略:通过隔年种植不同的作物来减缓上一代作物遗留的不良影响。一个轮作常识是:“用来轮作的作物在亲缘关系上越远越好”,因为“亲人见面分外眼红”负反馈的一个重要原因就是连续种植的单一作物会不断招来该作物的病害微生物在土壤中富集(病害微生物的富集通常也是亲缘特异性的)、以及该作物高需求的养分元素在土中耗竭。因而亲缘关系越远的植物理应越能逃避这些负面影响。

虽然常识深入人心,但科学家对此做严格检验的结果却大出所料:轮作作物亲缘关系的远近几乎不影响作物产能表现;尽管不同种的作物确实有各自独特的微生物群落、并且相近种确实会富集更类似的微生物群落组成,但是这种亲缘性似乎并不能“跨界”影响到作物的产能——也就是说,微生物组的物种组成的差异并没有造成功能上的差异,不同作物“驯化”的不同微生物组似乎做着差不多的活,微生物组功能呈现出强烈冗余。

Ian Kaplan等科学家以番茄作为核心作物,挑选了35种与番茄的关系或远或近的作物/野草,进行了两年实验。第一年种上35种植物,对土壤进行“充分驯化”留下土壤遗产;然后第二年全部种植番茄,对比观察不同的前茬作物对番茄产量的影响;并且重点关注那些和番茄关系更亲密的作物,比如茄子(同属)、欧白英(同属)、北美刺龙葵(同科)、黏果酸浆(同科)…以及番茄本身(也就是连作)。结果发现,只有在前茬作物是番茄的情况下,番茄的产量出现了显著下降;而其他类型的前茬作物,无论是否是番茄近亲,都对番茄产量没有显著的影响。

科学家显然是不死心,没影响有没有可能是因为微生物群落就没什么差异呢?但是测序以及随机森林回归等分析显示,不同物种之间确实塑造了可辨别差异的微生物群落,并且有些种属的细菌和真菌确实会更偏好番茄及其近亲(说明亲缘关系确实塑造了相似的微生物组)。而可惜的是,这种微生物组中物种多样性的差异没有影响到续茬作物的产量。

尽管只是一个短期的小规模实验,结果依然值得关注:或许植物根际的微生物组的功能并没有我们之前所预想的那样物种特异。至少在作物产量上看,只要不是同样的作物连续种植,似乎轮作什么都会缓解负反馈——特意“避亲”并无额外价值。相反,相近作物的种植环境需求可能也类似,反而能减少因为轮作差异过大作物而产生的额外管理成本。

前茬作物与番茄的系统发育距离(关系远近,横坐标)对番茄产量(纵坐标)的影响。可以看出,除了距离为0的番茄本种(红色点)做前茬时显著降低产量,其他亲缘关系的作物对产量的影响并不具有亲缘特异性。

参考文献:

Kaplan, I., Bokulich, N. A., Caporaso, J. G., Enders, L. S., Ghanem, W., & Ingerslew, K. S.. (2020). Phylogenetic farming: Can evolutionary history predict crop rotation via the soil microbiome?. Evolutionary Applications, 13(8), 1984–1999. https://doi.org/10.1111/eva.12956

没貂用】没用的知识增加了。

一个读文献,顺手写点小科普的项目。永远在写不是热点的科普 :D



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