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根际微生态水平上酸铝胁迫对紫花苜蓿-根瘤菌体系的影响

邱勤  
【摘要】:紫花苜蓿是一种优质豆科牧草,有“牧草之王”的美称,种植紫花苜蓿以及接种耐酸根瘤菌,有利于提高作物产量及土壤肥力。然而,我国南方酸性土壤分布广、面积大,耐酸苜蓿根瘤菌资源缺乏,紫花苜蓿生长受到阻碍。在酸性条件下,土壤中必须元素Ca、Mg、P、Mo等营养元素因淋失而缺乏,A1元素以离子态释放出来,导致作物受到酸铝的毒害。本研究首先将植物培肥和微生物培肥技术相结合,验证并探讨了种植紫花苜蓿和配施根际有益微生物(Plant Growth Promoting Rhizobacteria,简称PGPR)对新垦地土壤的培肥作用;选取紫花苜蓿-根瘤菌这一酸敏感体系,研究在中性(pH7.0)和酸性(pH 5.0)条件下铝对该体系苜蓿根际有机酸分泌、根瘤菌群体感应和共生体系固氮性能的影响,研究结果表明: 1.种植紫花苜蓿和施用PGPR对提高微生物数量和促进新垦地土壤培肥有显著地作用(p0.05),接种PGPR使紫花苜蓿瘤重、株高、根干重、地上部干重和全氮含量分别比不接种提高了198.18%、65.37%、220.30%、397.27%和25.26%;接种PGPR处理土壤中的细菌、真菌、放线菌、根瘤菌、硅酸盐细菌和固氮菌数量分别较CK增加54.94%、11.90%、18.26%、27.20%、30.01%和40.49%,统计差异显著(p0.05),其中接种PGPR的微生物生物量碳含量比CK提高了60.12%;接种PGPR处理的微生物生物量氮比CK提高了63.28%。 2.为了观察根瘤菌在酸性土壤上定殖及迁移状况,本实验对根瘤菌91522进行了荧光蛋白标记,通过电泳图谱分析,将pDsRed2质粒导入到根瘤菌中得到91522’。比较91522和91522’的生长曲线显示无论是在中性条件还是酸性条件,91522与91522’的生长曲线几乎重合,且它们的结瘤数以及瘤鲜重差异不显著,说明用标记菌株接种不影响苜蓿的结瘤能力,可用作观察根瘤菌侵染豆科作物的研究材料。与中性条件相比,pH5的酸性条件使91522和91522’生长延滞期增至12小时,其平均代时约延长10h。对91522’群体感应测定显示:91522’的群体感应水平曲线与其生长曲线有着相同的趋势,即群体感应活性逐渐提高的阶段正是细胞生长的对数期;当群体感应停止增长,细胞生长也由对数期转入稳定期。表明群体感应活性在一定程度上控制着91522’细胞群体数量及其增殖。 3.水培实验结果揭示了酸性条件下铝对共生固氮体系影响的机制:酸性条件下,A1影响根的伸长,当A1浓度由20umol/L提高到30umol/L时,根相对伸长量分别由47.31%降至32.63%;酸性条件下活性铝影响根毛变形率,如30umol/L Al浓度处理的苜蓿根毛变形率仅为4.9%,而中性条件下A1对根毛变形率无显著影响,说明在酸性条件下铝影响苜蓿根瘤菌与其宿主之间的识别。相应地,随着A1浓度的升高,共生固氮体系根际苹果酸和草酸的分泌量均显著增加(p0.05)。 4.在中性条件下,苜蓿平均每株结瘤28-30个;在酸性条件下,随着A1浓度的升高,苜蓿结瘤数显著下降,当A1浓度30umol/L时,平均每株结瘤数3-4个。从结瘤率来看,中性条件下A1浓度对苜蓿结瘤率影响不显著;在酸性条件下,随着A1浓度升高,其结瘤率显著降低(p0.05),其苜蓿结瘤率的范围为48.35%-10.98%。苜蓿结瘤动力曲线表明在中性条件下,接种8d左右苜蓿植株现瘤;酸性条件下,接种14d后苜蓿才开始结瘤,且随着Al浓度的升高,其现瘤日期显著延迟。 5.在玻璃珠分室培养箱中种植紫花苜蓿,进一步研究酸铝胁迫对紫花苜蓿-根瘤菌体系农艺性状、根际微生态区系和群体感应的影响。结果表明:经过铝处理后,交换性铝含量提高较大,且随着AI浓度的升高,交换性铝含量显著升高(p0.05),当Al浓度为30umol/L时,其交换性铝达到1.1 mg/kg,紫花苜蓿的生长受到抑制,苜蓿产量降低。在酸性条件下,高浓度的Al (30umol/L)阻碍了紫花苜蓿的生长,其根瘤数、植株鲜重、株高和地下部根长较无铝条件下分别下降了70.7%、70.6%、59.5%、95%;中性条件下微生物数量显著高于酸性条件下微生物的数量(p0.05);在中性条件下,A1浓度对微生物数量分布影响不显著。而在酸性条件下,A1浓度显著影响土壤微生物类群的分布(p0.05),A1浓度为30umol/L时,其细菌、真菌、放线菌和根瘤菌较无铝条件下分别下降了95.7%、94.7%、91.4%和69.2%。对群体感应检测表明:在中性条件下,各铝浓度处理间群体感应没有显著差异;而在酸性条件下,含铝处理的群体感应活性随铝浓度提高显著下降(p0.05)。 6.综上,酸性条件和铝毒胁迫在根际微生态水平上对植物,特别是苜蓿-根瘤菌体系产生危害的机制:对根际微生态养分,酸性的土壤条件促进土壤晶格中铝的溶出和在土壤溶液中(即交换性铝)的积累,交换性铝浓度随土壤总铝浓度的升高呈线性升高。除有机质含量外,其他各土壤养分指标随A1浓度升高而显著降低(p0.05);对根际微生物区系,与酸性无铝条件相比,酸铝胁迫使根际微生态环境中的细菌、真菌、放线菌数量下降了7-9成;对苜蓿-根瘤菌根际微生态体系的影响机制表现在3个层次,即对苜蓿植株、根瘤菌和共生固氮体系:酸铝影响植物根尖伸长和根毛数量;显著降低群体感应活性,从而使根际根瘤菌数目减少;影响根瘤菌与宿主识别信号的产生和传递,降低了根毛变形率。所以在宏观上苜蓿-根瘤菌体系在酸铝影响下表现出结瘤数、植株鲜重、株高和地下部根长等农艺性状显著降低。 7.接种包括根瘤菌在内的PGPR菌可以作为修复酸铝胁迫对苜蓿生长影响的有效手段之一。


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