酸性土壤耐铝及铝敏感大豆间根际微生物群落差异性响应的研究

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雨水的长期淋溶作用,造成了酸性土壤肥力低下,并存在着多种限制植物生长的因子,如高水平的Al、Fe、Mn离子及有机质、微量元素缺乏等。其中铝毒由于广泛存在且严重影响植物的生长发育而被认为是最重要的限制因子。大豆具有高效固氮作用,被认为是改善酸性土壤肥力状况的“先锋作物”,因此种植耐铝大豆已成为缓解铝毒及改良酸性土壤的有效措施之一。由于根际中植物与微生物的互作在土壤生态功能中的重要性,使得理解该生境中植物对微生物的影响具有重要意义。目前对酸性土壤中影响根际微生物群落的因素了解还较少,而且耐铝大豆对酸性土壤中根际微生物的影响也知之甚少。本研究利用生理、生化和遗传等先进方法研究了酸性土壤中耐铝大豆品种BX10和铝敏感大豆品种BD2对根际微生物群落影响的机制。主要研究结果如下:  1)采用根际箱方法获得的根际土中有机酸含量分析结果表明,与空白对照相比,BX10显著增加了土壤中柠檬酸的浓度,而BD2则显著降低了其含量;苹果酸仅仅出现在BX10根际土中。基于BIOLOG微平板分析的群落水平生理图谱发现,BX10对土壤生理功能的影响高于BD2,而且BX10根际微生物利用碳水化合物、磷酸类、胺类和羧酸类碳源的能力高于BD2的,但酯类碳源利用差别不大。基于BIOLOG微平板不同碳源底物中优势可培养菌群的DGGE分析结果表明,大豆BX10根际微生物温育后的孔中富集了一些植物益生菌,如unculturedRhizobium sp.(根瘤菌属)及nitrogen-fixing bacteria(固氮细菌)。  2)采用根箱原位收集的根系分泌物分析结果表明,BX10和BD2在不同的生长阶段分泌的有机酸种类和数量均存在显著差异。在不同的生长阶段,2种大豆基因型均显著影响真菌/细菌和革兰氏阴性菌/革兰氏阳性菌的比值。与BD2相比,在苗期和开花期BX10均显著增加了基于PLFA数据的香农指数(Shannon index),在结荚期该指数又降低。冗余分析和典范对应分析均表明,酒石酸、乳酸和柠檬酸均与根际微生物的变化有关。序列分析发现BD2土壤中富集了unculturedAcidobacterium(乳杆菌属)、Chloroflexi(绿弯菌)和Actinomycete(放线菌),而BX10也富集一些未知菌。综合这些结果说明BX10和BD2具有特异根际微生物群落,并且其分泌的乳酸、草酸和柠檬酸可能与真菌和革兰氏阴性菌的生长呈正相关,而酒石酸可能与这些微生物种群呈负相关。本研究中,与BD2相比,苗期BX10减少了细菌的种群,开花期提高了放线菌的种群,而结荚期又促进真菌种群的增加。结合两种大豆的不同时期分泌有机酸的差异及冗余分析结果发现,BX10根际微生物的这些特异的变化可能是特异的有机酸调节的结果,因此我们推测可能存在这样一种调控机制:在苗期,酒石酸负调控根际细菌的种群;在开花期,乳酸正调控根际放线菌的种群;在结荚期,丁二酸正调控根际真菌的种群。这些有机酸的作用仍然需要进一步的研究来证实。  3)两地大田(江西的红壤、浙江的红黄壤)采集的大豆根际土分析结果表明,大豆基因型和生长阶段对根际微生物群落结构有较强的影响,但土壤因素仍是最关键的决定因子。总的来说,大田实验中耐铝大豆BX10比铝敏感大豆BD2对根际微生物的影响更大,使根际微生物更加活跃,这可能为植物的生长提供更多的营养。  以上研究结果初步阐明了酸性土壤中大豆-微生物分子生态互作,并为改良酸性土壤的铝毒害及养分贫瘠问题提供一定的理论基础。
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