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藏北土著植物促生菌对当地典型牧草的促生作用及其机制研究

何敏  
【摘要】:近年来,藏北高寒草原植被破坏不断加剧,草原土壤退化沙化日趋严重,不仅严重影响草原生态系统的生物多样性,而且威胁到当地人们的生产生活。如何有效修复藏北退化草场的植被,以及提高植被再生效率引起了人们的广泛关注。土壤微生物对维持植物健康和改良土壤环境具有十分重要的作用,植物促生菌(Plant growth-promoting bacteria,PGPB)和丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhiza fungi,AMF)等功能微生物菌剂在生态植被修复过程中表现出了巨大的潜力。其中,植物基因型和细菌种类的选择对功能菌剂的功效起着决定性的作用,同时土壤环境的非生物因素(水分、温度、营养条件等)及生物因素(环境微生物等),也直接或间接影响植物生长和微生物菌剂的存活及功能的发挥。本研究以低温、干旱两个影响藏北植物生长的典型环境因素作为切入点,从藏北土壤分离得到耐低温、抗旱型植物促生菌株,通过构建功能菌群,检测不同功能菌剂在低温、干旱胁迫下对藏北当地典型牧草早熟禾生长的影响,以及土壤微生物群落结构的响应,旨在进一步优化功能菌剂的构建,提高藏北植被再生效率。研究主要获得以下结果:(1)采用稀释涂平板法从藏北土壤中成功分离到32株耐低温细菌,包括Brevibacterium属,Bacillus属,Paenibacillus属,Arthrobacter属,Exiguobacterium属,Pseudarthrobacter属。所分离菌株均具有植物促生属性(Plant growth-promoting traits,PGPT),其中Bacillus mycoides TS26具有较高的铁载体(Siderophore,SID)和吲哚乙酸(Indoleacetic acid,IAA)产生能力,Pseudarthrobacter siccitolerans TS33具有最强产IAA能力。菌株Paenibacillus xylanexedens TS19具有较强的抗渗透胁迫能力。分离菌株对早熟禾植株生长的影响各不相同,其中Pseudarthrobacter siccitolerans TS33和Brevibacterium sp.TS22在低温条件下表现出较高的植物生长促进效果,这表明植物促生菌对牧草的作用效果具有差异性。(2)低温、干旱双重胁迫盆栽实验结果表明,在中度干旱胁迫下(土壤相对含水量为35%),单接种P.xylanexedens TS19、B.sp.TS22、Bacillus.mycoides TS26,或混合接种TS19TS22、TS19TS26均能促进早熟禾植株的根系发育,其中混合菌剂(TS19TS22和TS19TS26)对早熟禾的生物量表现出协同促进效应;严重干旱胁迫下(相对含水量15%),接种处理均可有效启动植物体内激素应激机制,包括活性氧(Reactive oxygen species,ROS)、超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)、脯氨酸(Proline,Pro)、脱落酸(Abscisic acid,ABA),以及促进早熟禾根系的发育和地上生物量,其中单接耐旱菌株TS19在重度干旱胁迫下对植物的地上生物量和根系发育促进作用显著,表现出更好的抗胁迫能力。因此,应当针对不同水分胁迫条件选择合适的菌剂。(3)在以藏北自然土壤为基质的盆栽实验中,功能菌剂(PGPB或/和AMF)的添加可以显著缓解低温下藏北土壤微生物群落对早熟禾的生长抑制作用,其中添加AMF对早熟禾的生长(地上干重、根长和叶片数)具有显著积极作用,而添加PGPB+AMF菌剂可显著增加早熟禾体内SOD活性,降低植物体内MDA含量和ROS水平。(4)不同功能菌剂对土壤微生物群落影响各不相同,添加PGPB菌剂显著降低土壤微生物群落的α-多样性,而添加AMF和PGPB+AMF菌剂对土壤群落的α-多样性无显著影响;添加AMF对土壤细菌群落在β-多样性上产生显著变化,微生物群落中富集一些具有植物促生或生物防治功能的菌株,包括黄单胞菌科、假单胞菌科。土壤微生物群落结构的变化一定程度上解释了该处理显著影响早熟禾生长的原因。综上所述,本研究首次从藏北退化草原土壤中分离得到具有耐低温、耐旱的土著植物促生菌株,在模拟藏北特殊环境条件基础上,通过构建不同功能菌群并对其植物促生效果进行评价,证实了功能菌剂对藏北本地典型牧草在植株生长及抗胁迫方面的积极促进作用,深入揭示了功能菌剂的作用机制以及对环境微生物的影响,反映了土著植物促生菌在藏北退化生态环境中植被修复的应用潜力,为藏北退化草原的植被修复的菌剂制备提供了宝贵的菌种资源以及理论和实践指导。


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