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七彩花生根瘤内生菌对氮添加的响应及其与植物化学计量特征的关系
植物生态学报
2024, 48 (10):
1374-1384.
DOI: 10.17521/cjpe.2024.0002
豆科植物根瘤是根瘤菌生物固氮的场所, 含有多种微生物, 即根瘤内生菌, 其对植物的生长和营养具有重要作用。但根瘤内生菌群落结构对氮的响应及其与植物生态化学计量特征之间的关系还有待研究。该研究以七彩花生(Arachis hypogaea ‘Qicai’)为实验材料, 设置3个施氮处理(N0: 0 kg·hm-2, N1: 140 kg·hm-2, N2: 280 kg·hm-2)进行大田实验, 测定叶片碳(C)、氮(N)、磷(P)含量和根瘤内生菌群落结构及丰度变化, 并采用PICRUSt 2软件进行功能预测分析。结果表明: (1)根瘤内生菌种类丰富, 共含有来自546个科1 049个属的微生物。其中主要的结瘤共生菌——慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)丰度占比仅为27.83%, 其他微生物丰度的总占比超过70%, 其中伯克霍尔德菌属(Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia)和肠杆菌属(Enterobacter)的平均丰度占比均超过了10%。(2)施氮降低了根瘤内生菌菌群多样性, 并改变了其结构组成, 其中部分来自慢生根瘤菌属、肠杆菌属、科萨克氏菌属(Kosakonia)、泛菌属(Pantoea)的微生物相对丰度显著增加, 而一些来自根瘤菌属(Allorhizobium-Neorhizobium-Pararhizobium-Rhizobium)、中慢生根瘤菌属(Mesorhizobium)、分枝杆菌属(Mycobacterium)、伯克霍尔德菌属的微生物相对丰度显著降低, 且部分属相对丰度与植物化学计量特征具有紧密的相关关系。(3)共现网络分析结果显示, 部分菌群模块与叶片C、N、P含量及化学计量特征具有显著相关关系; 同时, PICRUSt 2功能预测结果也显示部分微生物C、N、P代谢酶功能与七彩花生叶片C、N、P含量及化学计量特征具有显著相关关系, 表明菌群结构与植物养分含量及其平衡之间具有紧密关系。综上, 七彩花生根瘤内生菌种类丰富, 且菌群结构和功能对氮添加较为敏感, 未来研究中可通过微生物分离以及合成菌群技术进一步发掘氮耐受型和敏感型内生菌的功能。
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图1
不同施氮量下七彩花生叶片碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及化学计量特征变化。相同小写字母表示处理间不存在显著差异(p > 0.05)。N0, 0 kg·hm-2; N1, 140 kg·hm-2; N2, 280 kg·hm-2。
正文中引用本图/表的段落
不同施氮(N0、N1和N2)处理对七彩花生叶片C、N、P含量和C:N、C:P、N:P均无显著影响(图1)。其中C含量均值分别为408.23、407.18和404.91 mg·g-1, N含量在氮添加下略有增加, 均值分别为27.08、27.30和28.26 mg·g-1, P含量均值分别为2.43、2.49和2.38 mg·g-1; C:N均值分别为15.25、14.98和14.37, C:P均值分别为169.59、167.47和171.10, N:P均值分别为11.21、11.26和11.92。
叶片是植物光合作用的重要器官。研究表明叶片N含量与光合速率、呼吸速率和生产力之间存在正相关关系, 叶片C、N、P含量之间存在强烈的耦合关系, 使得植物中各化学计量比趋于一个较为稳定的值(Wright et al., 2004; Reich et al., 2009, 2010)。本研究在七彩花生实验大田中施撒不同量的N肥, 通过分析各处理间叶片C、N、P含量及化学计量比的差异性, 发现各处理虽然有小幅度的变化, 但均无显著差异(图1)。此结果与李双喜等(2015)和苏炜等(2023) N添加实验结果一致。虽然大多数的研究表明, 植物化学计量的变化更多与施肥量有关。但七彩花生作为豆科植物, 可以与根瘤菌共生固N, N肥添加会抑制根瘤固N作用, 从而缓冲了N添加对叶片化学计量特征的影响(Xia et al., 2017)。本研究表明在没有N肥使用条件下, 七彩花生通过固N作用可以达到与高N添加条件下相同的叶N含量; 其次, 叶片作为植物生长代谢最活跃的器官, 需要相对稳定的养分含量, 所以植物会通过重吸收或转移其他器官的养分来维持叶片养分含量的相对稳定, 此观点也符合叶片养分含量稳定假说(Schreeg et al., 2014)。因此植物营养内稳性可能并非只受单一因素调控, 而是受多方面因素共同调控。
本文的其它图/表
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