利用DNA元条形码分析轮作农田土壤生物组成变化

丰桥工业大学应用化学与生命科学系教授ToshihikoEki等人领导的研究小组利用DNA元条形码技术，分析了田原市两处玉米白菜轮作田中与作物生长相关的土壤生物组成的变化。

结果表明，农田土壤生物群及其网络很容易受到土壤环境、耕作历史和作物的改变。未来，用于土壤生物群分析的DNA元条形码将能够阐明作物与土壤生物之间的关系，以及农田生物特性的评估和作物病害的预测，这有望有助于改善作物种植技术。

历史上，土壤和人类通过农业紧密地联系在一起。近年来，国际上有越来越多的运动重申土壤及其保护的重要性，从将2015年指定为国际土壤年就可以看出这一点。土壤中存在细菌、线虫、节肢动物、真菌等多种生物，形成土壤生态系统，但它们的实际组成和动态尚不清楚。

此前，研究团队充分利用DNA条形码技术对线虫进行了分析，DNA条形码根据生物体基因中独特核苷酸序列的差异来识别生物物种，揭示了适应不同土壤环境的独特线虫群落。研究小组还引入了使用下一代测序仪的“DNA元条形码”，该测序仪可以解码大量的核苷酸序列，以分析生活在土壤中的所有原核生物和真核生物。

在本研究中，研究小组将DNA元条形码应用于2019年田原市玉米和卷心菜轮作的两块田地(田地1和田地2)的土壤，以调查与玉米和卷心菜相关的原核生物和真核生物的分类组成和多样性。作物生长、生物间网络以及土壤化学因子与生物体之间的相关性。

研究对象的两块田地具有以下不同的种植历史：在前一年(2018年)，田地1充满绿肥且未耕种，而田地2则进行相同的玉米和卷心菜轮作。部分16S和18S核糖体RNA基因被用作DNA条形码来对原核生物和真核生物进行分类，总共有3,086个真核序列变异体(SV)和17,069个原核SV被鉴定为具有独特核苷酸序列的SV。

对SV数据的详细分析表明，首先，不同田间和作物的四种土壤中存在不同组成的生物群落，表明土壤生物同时受到田间和作物的影响。其次，研究团队研究了土壤化学因子与生物的相关性，发现了与土壤pH、含水量、硝态氮、营养盐浓度等因子密切相关的生物类群和主要SV。

最后，对原核和真核SV的网络分析首次表明，前一年未耕种的1号田的玉米耕种土壤中的网络结构明显不如其他土壤复杂，但随着随后的卷心菜种植，网络变得更加复杂。这个过程不仅涉及真菌，还涉及尾虫等原生生物。

本研究表明，农田土壤生物群和生物间网络容易受到土壤环境(如化学因素)、耕作历史和作物的影响和改变。

这项研究表明DNA元条形码方法可用于农业土壤的生物分析。最近的研究表明，肠道微生物群影响人类健康，植物(农作物)和土壤生物之间的关系可以与人类与其肠道微生物群之间的关系进行比较。

研究小组认为，土壤生物，特别是生活在根际的土壤生物，与作物的健康和生长密切相关，他们希望未来的研究重点关注植物与根际生物之间的相互作用。