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

图2 不同施氮处理下七彩花生根瘤内生菌多样性(A)、主要内生菌各属丰度变化(B)、主坐标分析(PCoA) (C)、根瘤内生细菌丰度变化火山图(D)。A图中不同小写字母表示处理间差异显著(p < 0.05)。D图中的点表示一个扩增子序列变体, 红色表示在氮添加下显著上调, 绿色表示显著下调。N0, 0 kg·hm^-2; N1, 140 kg·hm^-2; N2, 280 kg·hm^-2。Allorhizobium-Neorhizobium- Pararhizobium-Rhizobium, 根瘤菌属; Bradyrhizobium, 慢生根瘤菌属; Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia, 伯克霍尔德菌属; Enterobacter, 肠杆菌属; Kosakonia, 科萨克氏菌属; Mycobacterium, 分歧杆菌属; Novosphingobium, 新鞘氨醇菌属; Pantoea, 泛菌属; Saccharimonadales, 糖单孢菌; Unassigned, 未分类。*, p < 0.05。

正文中引用本图/表的段落

通过对根瘤内生菌进行高通量测序分析, 对Reads拼接、质控、去嵌合体, 共得到8 161 173条有效序列, 平均每个样本含有163 223条, 去除线粒体和叶绿体序列, 抽平得到每个样本含有21 000条, 所得样本共含有11 142个ASVs, 通过与Silva 138数据库比对, 进行物种注释, 共获得61门155纲345目546科1 049属。在属水平上对根瘤内生菌群落结构组成进行分析, 结果表明丰度排名前9的有慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium, 27.83%)、伯克霍尔德菌属(Burkholderia-Caballeronia-Paraburkholderia, 15.06%)、肠杆菌属(Enterobacter, 10.64%)、糖单孢菌属(Saccharimonadales, 5.36%)、泛菌属(Pantoea, 5.07%)、科萨克氏菌属(Kosakonia, 4.04%)、分枝杆菌属(Mycobacterium, 3.93%)、新鞘氨醇菌属(Novosphingobium, 3.60%)、根瘤菌属(Allorhizobium- Neorhizobium-Pararhizobium-Rhizobium, 1.61%) (图2B)。

属水平上, N添加显著降低了根瘤菌属和分枝杆菌属丰度, N1和N2处理下根瘤菌属相对丰度比对照分别降低67.9%和57.8%, 分枝杆菌属相对丰度分别降低45.4%和50.6%。在ASV水平上, 施N肥后部分ASVs (分别来自慢生根瘤菌属、肠杆菌属、科萨克氏菌属、泛菌属)相对丰度显著增加; 部分ASVs (分别来自根瘤菌属、中慢生根瘤菌属、分枝杆菌属、伯克霍尔德菌属)相对丰度显著降低(图2D)。

N添加显著降低了根瘤内生菌多样性。其中N1与N0之间群落Shannon-Wiener指数具有显著性差异, 但N2与其他处理的差异性不显著(图2A); 基于ASVs分布的Bray-Curtis矩阵距离度量的PCoA第一轴和第二轴共解释了样本间37.4%的变化(图2C), N1和N2处理聚集在一起, 而对照与这两个处理有明显分离现象。PERMANOVA分析表明N添加显著改变了根瘤内菌群落结构(p = 0.046)。

本研究发现, 根瘤内生菌组成较为复杂, ASV水平上的微生物超过了10 000个, 而属水平超过了1 000个(图2B)。其中慢生根瘤菌是七彩花生结瘤固氮的主要微生物(李林等, 2023)。然而本研究发现根瘤内生菌并非由慢生根瘤菌独占, 其他微生物丰度的总占比超过了70%, 其中肠杆菌与伯克霍尔德菌属的平均丰度占比均超过了10%。土壤N含量是土壤和植物微生物多样性、群落结构及其功能变化的主要驱动因素(Li et al., 2020)。N肥会影响豆科植物根瘤菌的侵染、根瘤的发育和根瘤固N能力。由于共生结瘤需要一定的N启动, 即“起爆N”, 但过量的N则会抑制根瘤的形成和发育, 即出现“N阻遏”现象, 所以施用适量的N肥有利于豆科植物结瘤, 提高根瘤固N能力(Wang et al., 2016; Lyu et al., 2019)。本研究分析了七彩花生根瘤内生细菌群落结构和主要菌属丰度的变化情况, 结果表明N添加显著降低了根瘤内生菌群落的多样性, 其中N1和N2处理下相对丰度<2.5%的低丰度菌群降低了52.3%和39.4% (图2A), 与前人的研究结果(郑永美等, 2017; Preyanga et al., 2021; 孙棋棋等, 2022)一致。这可能是因为在缺N胁迫下更多种类的寡营养型微生物相对于富营养型微生物更具竞争优势, 导致在缺N胁迫下微生物的多样性更高。此外, 在氮添加的条件下, 根瘤内生主体菌属中根瘤菌属、伯克霍尔德菌属和分枝杆菌属微生物丰度显著降低, 而慢生根瘤菌属、肠杆菌属、科萨克氏菌属和泛菌属微生物丰度显著提升(图2B), 其中被认为固N的主体菌——慢生根瘤菌属丰度显著增加了10%, 但占比仍不足50%。有研究指出, 肠杆菌属、伯克霍尔德菌属、科萨克氏菌属和泛菌属中部分菌株具有固N功能(Vandamme et al., 2002; Singh et al., 2021), 但它们如何在植物体内发挥其固氮功效还有待进一步研究, 因此下一步研究中有必要通过与根瘤菌共同接种的方式, 探索这些微生物对植物生长和固N的确切影响。

本文的其它图/表

• 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。
  
• 表1 七彩花生根瘤内生细菌主要属相对丰度与叶片碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及化学计量特征的关系
  
• 图3 PICRUSt 2预测根瘤内生菌酶功能对施氮量的响应及其与叶片化学计量特征的关系。A, 酶活性变化(平均值±标准差)。B, 酶活性主坐标分析(PCoA)。C, 酶活性与叶片化学计量特征的关系。N0, 0 kg·hm^-2; N1, 140 kg·hm^-2; N2, 280 kg·hm^-2。C, 碳; N, 氮; P, 磷。3-Phytase, 3-植酸酶; 4-Phytase, 4-植酸酶; Acid phosphatase, 酸性磷酸酶; Alkaline phosphatase, 碱性磷酸酶; Alpha-amylase, α-淀粉酶; Alpha-glucosidase, α-糖苷酶; Ammonia monooxygenase, 氨单加氧酶; Beta-glucosidase, β-糖苷酶; Cellulase, 纤维素酶; Chitinase, 几丁质酶; Nitrate reductase, 硝酸还原酶; Nitric oxide dioxygenase, 一氧化氮双加氧酶; Nitrite reductase (NADH), 亚硝酸还原酶(NADH); Nitrite reductase (NO-forming), 亚硝酸盐还原酶(NO-生成); Nitronate monooxygenase, 硝基单加氧酶; Nitrous-oxide reductase, 一氧化二氮还原酶; Nitrogenase, 固氮酶。*, p ≤ 0.05; **, p ≤ 0.01。A中不同小写字母表示不同处理间差异显著(p < 0.05)。
  
• 图4 七彩花生根瘤内生菌群落共现网络分析。A, 根瘤细菌群共现网络。B, 不同菌群模块丰度与叶片化学计量特征关系。C, 各模块主要菌属组成。N0, 0 kg·hm^-2; N1, 140 kg·hm^-2; N2, 280 kg·hm^-2。C, 碳; N, 氮; P, 磷。Allorhizobium-Neorhizobium-Pararhizobium-Rhizobium, 根瘤菌属; Bradyrhizobium, 慢生根瘤菌属; Burkholderia- Caballeronia-Paraburkholderia, 伯克霍尔德菌属; Enterobacter, 肠杆菌属; Kosakonia, 科萨克氏菌属; Mycobacterium, 分歧杆菌属; Novosphingobium, 新鞘氨醇菌属; Pantoea, 泛菌属; Saccharimonadales, 糖单孢菌; Unassigned, 未分类。*, p ≤ 0.05; **, p ≤ 0.01。