摘要: 附子为毛茛科植物乌头Aconitum armichaelii Debeaux.的子根加工品,分布广泛,是乌头属中栽培面积最大的种,在四川、陕西、云南、贵州等省份大量种植。由于栽培气候、环境等存在显著差异,导致植物在适应不同环境时产生了变异,形成了各具特色、遗传丰富的种质资源。长期以来,农户凭借传统经验,自由选择生产种质,多种变异类型的种质混杂繁殖,造成生产种源混乱,产量降低、病害严重。因此,种源问题成为了附子产业发展的瓶颈。近年来,种植户迅猛增长,但因耕地的限制,只能选择长期高强度连续种植附子,连作障碍普遍发生,导致土壤酸化、养分失衡、病虫害加剧、产量大幅降低,严重影响种植户的经济收益,成为附子产业化发展的桎梏。鉴于此,本研究采用文献调研和实地考察相结合的方法,对附子栽培种质进行了全面调研;采用高通量测序技术获取附子种质叶绿体基因组序列,结合生物信息学技术,对其结构、序列变异、系统发育关系等进行了研究;采用高效液相色谱技术测定其有效成分和毒性成分含量,结合聚类分析(HCA)、主成分分析(PCA)、偏最小二乘(OPLS-DA)等方法进行质量差异性评价,并筛选出质量标志物;采用土壤养分检测仪、电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)和高通量测序技术对连作和轮作模式下附子根际土壤的理化性质、微生物群落结构和多样性等进行研究,得到以下研究结果:(1)云南省附子种质资源丰富,栽培范围广泛,主要集中在鹤庆、洱源、维西、玉龙、云龙以及宾川县等地,横跨99.13~100.68°E,25.67~27.18°N,海拔1930.88~2967.17 m。根据表型,可分为4种典型种质:云附1号叶片呈艾叶型、子根长圆锥形、分叉多、芽头较小,不突出,种皮色偏白,生长于云龙、宾川、洱源、维西、鹤庆县等地;云附2号叶片呈南瓜叶型、子根倒圆锥形、几无分叉,芽头较大、向上突出,种皮色偏黑,生长于洱源、云龙、鹤庆和宾川县;云附3号叶片呈艾叶型、子根倒圆锥形、几无分叉,芽头较大、向上突出,种皮色偏黑,仅生长于洱源县;云附4号叶片呈南瓜型、子根长圆锥形、分叉多、芽头较大、向上突出,种皮色偏白,仅生长于鹤庆县。结果表明,不同地理来源的附子可能为同一种质,表型相似;不同种质的附子外型差异明显。且部分附子种质资源流动较少,仅存在极少数地区,缺乏良种选育工作。(2)27批附子的叶绿体基因组全长序列为158,800~155,891 bp,鉴定出131个功能基因,其中86个蛋白编码基因,37个t RNA基因,8个r RNA基因。云附1号全长序列、LSC、SSC和IR区长度分别为155,880 bp、86,347 bp、16,947 bp和53,586 bp,2号为155,858 bp、86,330 bp、16,944 bp和52,854 bp,而3号和4号为155,891 bp、86,359bp、16,946 bp和52,586 bp。提示,可根据叶绿体基因组全长序列、IR、SSC和LSC区的长度,初步区分不同种质。最大似然法结果显示,27批样品分为3个类群:云附1和2号分别聚为明显的单系分支,且具有较高的支持率(100%);另一个分支包含云附3和4号,互为姐妹类群(100%)。结果表明3和4号可能为同一种质,且不同附子种质相互区分,其中云附1和2号亲缘关系较近,而3和4号亲缘关系更近。(3)层次聚类热图显示,27批样品聚为两大支,但并未按照种类和产地进行聚类。其中,S19、S02、S04、S14、S19、S26和S27聚为第I组;剩余样品聚为第II组。PCA结果显示,27批样品分类较为混乱,未根据种质类型进行聚类;OPLS-DA结果显示,在一定的误差范围内,大部分样品按种质类型可正确分为2组,鉴别准确率为88%;线性判别降维算法发现原始验证模型整体正确率为88.9%,而交叉训练模型仅有59.3%。组质心处函数图结果显示,1、2和4号种质空间分布上有不同程度的重合,3号种质分布相对较远,导致判别准确率下降。结果表明,不同种质间化学成分相似,质量差异较小,但具有各自的特征化合物。(4)附子连作后土壤中速效钾(AK)、总钾(TK)、总磷(TP)、铅(Pb)、铬(Cr)、汞(Hg)含量增加,而铵态氮(HN4+)、铜(Cu)含量降低,砷(As)和镉(Cd)无明显波动;玉米-附子轮作明显降低Pb和Hg的含量,水稻-附子轮作明显降低Cr和Cu的含量,两种轮作模式均能降低土壤中AK,TK和TP的含量。(5)附子连作后细菌群落丰富度和多样性指数Richness、Shannon和Chao1下降;水稻-附子轮作后明显上升,玉米-附子轮作后无明显变化。然而,连作和轮作后真菌群落Richness和Chao1均升高。研究表明,水稻-附子轮作明显改善细菌和真菌群落的物种多样性和丰富度。对于群落结构而言,连作增加变形菌门、担子菌门、拟杆菌门以及致病菌镰孢霉的相对丰度,水稻/玉米-附子轮作降低了这些菌群的丰度。镰孢霉是农作物中常见根腐病的致病菌,提示轮作能有效降低附子患病风险。还发现轮作后细菌共线性网络中负相关边数、模块化和关键类群出现上升,增加细菌网络结构稳定性。此外,连作后土壤固氮作用减弱,影响植株正常生长,而轮作能在增强固氮作用,缓解连作障碍的危害。综上,轮作通过提高微生物丰富度、减少病害菌丰度、增强共线性网络稳定性以及氮循环速率等方面有效缓解附子连作障碍。本研究为附子种质资源的鉴定、优良品种的选育及栽培方式提供重要的理论依据,为附子产业高质量发展奠定研究基础。 摘要译文