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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
李林, 孙毅, 杨晓琼, 方海东, 闫帮国
植物生态学报    2024, 48 (10): 1374-1384.   DOI: 10.17521/cjpe.2024.0002
摘要   (213 HTML9 PDF(pc) (1668KB)(238)  

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)。
正文中引用本图/表的段落
基于PICRUSt 2软件功能预测的分析结果(图3A), N添加抑制了固N酶活性, 而C和P代谢相关酶活力增强, 具体表现为N添加促进了P化合物分解酶(酸性磷酸酶)、C分解酶(β-糖苷酶、α-糖苷酶、α-淀粉酶)和部分N代谢酶(一氧化氮双加氧酶、硝酸还原酶)的活性, 而抑制了另一部分N代谢酶(固氮酶、硝基单加氧酶、亚硝酸盐还原酶)的活性。通过对酶活性对氮添加的影响进行主成分分析(图3B), 第一轴与第二轴对结果的解释率分别为44.73%和22.51%, N0与N1和N2处理存在显著差异。
根瘤内生菌群的功能与叶片化学计量特征存在显著关联特征(图3C), α-淀粉酶、几丁质酶、氨单加氧酶、碱性磷酸酶、酸性磷酸酶与叶片C含量呈显著负相关关系, 硝基单加氧酶与C含量呈显著正相关关系; 亚硝酸盐还原酶、氨单加氧酶、固氮酶与N含量呈显著负相关关系, 一氧化氮双加氧酶与N含量呈显著正相关关系; 一氧化氮双加氧酶、固氮酶、3-植酸酶与C:N呈显著正相关关系, 而氨单加氧酶与C:N呈显著负相关关系。
另一方面, PICRUSt 2功能预测结果也表明, 施加N肥使得C、P代谢相关的酶活性显著增加, 但固N酶活性则显著降低(图3A)。这个预测的结果与土壤中C、N、P化合物分解酶对N添加的响应趋势一致(Treseder & Vitousek, 2001), 也符合微生物C、N、P化合物分解酶合成的经济学原理(Allison et al., 2011)。当N充足后, C和P逐渐成为限制养分, 此时菌群结构面临调整。部分类群微生物可以大量合成C和P的分解酶, 这些微生物一般偏好C、P相对限制的环境。随着C、P的稀缺, 这类微生物生存竞争优势逐渐提升, 并通过对C和P的分解作用缓解C、P限制。虽然PICRUSt 2对单一菌株的预测存在局限性, 但对生态土壤菌群结构功能的预测准确性可达80%以上(Douglas et al., 2020), 所以在研究过程中具有一定指导意义。分析其原因, 一方面可能是根瘤内生菌多为异养微生物, 而根瘤固N是一个高耗能的过程, 在N充足时, 植株会更倾向于低能耗获取N的途径, 从而降低固N菌的丰度(Zhao et al., 2024); 另一方面是N积累通过刺激N偏好型物种的扩张和对其他物种的竞争排斥而导致生物多样性下降, 导致根瘤内菌群结构和功能发生变化(Bobbink et al., 2010)。本研究结果显示, 固N酶活性相关的伯克霍尔德菌丰度显著降低, 而富营养菌肠杆菌、科萨克氏菌和泛菌丰度则显著增加, 这一观点也与Li等(2023)和Wang等(2020)的研究相符。已有研究表明, 植物根系内生菌菌群结构的变化能改变植物的激素水平或产生植物生长调节因子以促进植物生长, 反过来植物也会调控内生菌群群落结构的变化(Salas-González et al., 2021)。
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