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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。
正文中引用本图/表的段落
共现网络分析发现, 菌群结构可以被划分为10个模块(图4)。其中模块1主要由根瘤菌属、慢生根瘤菌属、伯克霍尔德菌属、Candidatus Phytoplasma、中慢生根瘤菌属、分歧杆菌属、新鞘氨醇菌属、苯基杆菌属(Phenylobacterium)、假单胞菌属、糖单孢菌属、鞘氨醇单胞菌属组成; 模块2主要由根瘤菌属、Altererythrobacter、中慢生根瘤菌属、新鞘氨醇菌属、苯基杆菌属小梨形菌属(Pirellula)糖单孢菌属、鞘氨醇单胞菌属组成; 模块3主要由伯克霍尔德菌属、分歧杆菌属、糖单孢菌属鞘氨醇单胞菌属组成; 模块4主要由根瘤菌属和糖单孢菌属组成; 模块5主要由Altererythrobacter、伯克霍尔德菌属、新鞘氨醇菌属、糖单孢菌属、鞘氨醇单胞菌属组成; 模块6主要由伯克霍尔德菌属、中慢生根瘤菌属、新鞘氨醇菌属、小梨形菌属组成; 模块7主要由新鞘氨醇菌属、小梨形菌属组成; 模块8主要由糖单孢菌属组成; 模块9主要由假单胞菌属组成; 模块10主要由假单胞菌属组成。各模块均含有一定的低丰度菌属(<0.5%); 通过分析不同模块菌群与叶片化学计量特征的关系, 发现模块1菌群相对丰度与叶片C含量呈显著负相关关系; 模块4、7、10相对丰度与叶片N含量均呈显著负相关关系, 但与C:N呈显著正相关关系, 表明七彩花生叶片化学计量特征与根瘤内生菌群落构建存在紧密联系。
本研究通过共现网络分析, 将菌群结构划分为10个模块(图4)。这些模块代表了微生物不同的生态位偏好(Delgado-Baquerizo et al., 2018)与功能(Fan et al., 2019)。根瘤内生菌菌群模块4、7、10相对丰度与植物化学计量特征存在紧密的相关性, 其中模块4主要由根瘤菌属和糖单孢菌组成, 与N含量显著正相关; 此外, 发现模块7和10主要由丰度<0.5%和未命名的菌株组成, 这部分微生物的功能值得关注。Wang等(2022)研究也表明, 低丰度的菌群在植株根系微生物组招募和构建中起到至关重要的作用。因此, 在今后的研究中, 阐明低丰度菌群在植物中是如何发挥其枢纽作用对豆科植物生物固氮具有重要的意义。
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