入侵植物紫莖澤蘭對土壤自生固氮菌和叢枝菌根真菌群落的影響.pdf

1、生態(tài)系統(tǒng)的地上和地下部分緊密聯(lián)系、互為依存。土壤微生物作為植物地下生態(tài)系統(tǒng)中重要的生物因子,在生態(tài)系統(tǒng)中形成了一個強大的動力資源庫,它直接參與植物殘體的分解、土壤的物質(zhì)循環(huán)和能量流動等生態(tài)過程。由于植物與土壤微生物的互作關系可以決定植物群落的演替方向和進程,因此,外來植物對入侵地土壤微生物群落的影響或入侵地土壤微生物群落是如何對外來植物入侵產(chǎn)生響應和如何通過反饋作用影響外來植物入侵力及入侵進程,就成為近年外來植物入侵機制研究的重點。自生

2、固氮菌(free-living nitrogen fixing microorganism)和叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)是土壤中的2類重要功能菌,在植物的種間競爭和土壤營養(yǎng)循環(huán)中具有重要的調(diào)控作用。如叢枝菌根真菌可以改變甚至逆轉植物種間競爭關系,在植物群落競爭演替、物種多樣性的形成及群落空間分布格局中均起著重要的調(diào)節(jié)作用；而自生固氮菌是解決那些生活在貧瘠的土壤中且無法與共生固氮菌形成

3、根瘤的植物的氮源的重要工具。
　　 外來入侵植物紫莖澤蘭已對我國西南地區(qū)造成了嚴重的經(jīng)濟損失和生態(tài)災難,探究其成功入侵的土壤微生物機制不僅能補豐富植物群落演替理論和外來植物的入侵機制,而且對于外來植物的管理和入侵地生態(tài)系統(tǒng)的修復有著重要的指導意義。因此,本文基于紫莖澤蘭競爭排斥本地植物而形成單優(yōu)群落的野外生態(tài)學現(xiàn)象,從外來植物與入侵地土壤微生物互作的角度,在本室前期研究工作的基礎上,采用微生物學、分子生物學和生態(tài)學相結合的方法,

4、重點研究了紫莖澤蘭對入侵地土壤自生固氮菌和叢枝菌根真菌群落結構的影響及其一些相關生態(tài)效應的影響。主要結果如下:
　　 1.T-RFLP技術優(yōu)化
　　 T-RFLP技術是新近發(fā)展起來的分析環(huán)境微生物多樣性的一種分子生物學方法,已被廣泛用于分析各種環(huán)境中某類微生物的群落結構及動態(tài),但鮮有報道T-RFLP技術各操作流程對結果真實性的影響。為了能更好的使用該技術解決本研究提出的問題,本試驗分別將T-RFLP技術的三個步驟-PCR

5、、限制性內(nèi)切酶消化和毛細管電泳重復操作三次,通過比較T-RFLP各流程的可重復性來說明各流程所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差對實驗結果真實性的影響,進而找出解決方案。結果表明,毛細管電泳步驟的可重復性好,T-RFLP技術結果的準確性不受毛細管電泳的影響。采用ABI3730型遺傳分析儀進行毛細管電泳結果也同樣可靠。對于樣品處理過程而言,PCR擴增步驟的可重復性差,PCR擴增步驟對結果的真實性影響較大,且對不同樣品的影響程度不同；限制性內(nèi)切酶的選擇也會對T

6、—RFLP的結果產(chǎn)生巨大的影響,相同的樣品用不同的限制性內(nèi)切酶消化后產(chǎn)生的圖譜之間相似度很低,但是對不同樣品的影響較一致。就結果評估參數(shù)而言,海靈格距離能較好的顯示不同樣品微生物群落結構之間的差異,并能保持重復樣品之間的可重復性,優(yōu)于Sorenson系數(shù)。綜上所述,混合多次PCR產(chǎn)物和選用合適的、一致的限制性內(nèi)切酶是T-RFLP技術成功的關鍵；將該技術用于群落結構比較時宜采用海靈格距離作為比較參數(shù)。
　　 2.紫莖澤蘭對入侵地土

7、壤碳氮含量和固氮能力的影響
　　 通過比較測定紫莖澤蘭單優(yōu)區(qū)(DA)、混生區(qū)(T)和本地植物單優(yōu)區(qū)(DN)根圍土壤中的總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和活性有機碳含量,以分析紫莖澤蘭入侵對入侵地土壤碳氮營養(yǎng)含量的影響。結果顯示,紫莖澤蘭單優(yōu)區(qū)土壤中的總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮均顯著地高于混生區(qū)土壤和本地植物單優(yōu)區(qū)土壤中的含量。其中,紫莖澤蘭單優(yōu)區(qū)土壤中總氮含量分別是混生區(qū)土壤和本地植物單優(yōu)區(qū)土壤的2.0倍和2.6倍,銨態(tài)氮含量分別是混生區(qū)土壤和本

8、地植物單優(yōu)區(qū)土壤的1.6倍和1.3倍,硝態(tài)氮含量分別是混生區(qū)土壤和本地植物單優(yōu)區(qū)土壤的1.5倍和1.4倍。而就混生區(qū)和本地植物而言,混生區(qū)土壤中總氮含量顯著的高于本地植物土壤中的含量,硝態(tài)氮含量沒有顯著差異,銨態(tài)氮含量顯著的低于本地植物土壤。紫莖澤蘭單優(yōu)區(qū)土壤的固氮能力顯著的高于混生區(qū)土壤和本地植物單優(yōu)區(qū)土壤的固氮能力,分別是混生區(qū)土壤和本地植物單優(yōu)區(qū)土壤的1.2倍和1.4倍；混生區(qū)土壤固氮能力顯著的大于本地植物單優(yōu)區(qū)的固氮能力,是后者

9、的1.2倍。綜上所述,紫莖澤蘭入侵顯著的提高了土壤中總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和活性有機碳的含量；同時顯著增強了土壤的固氮活性。這種土壤肥力的增加和固氮能力提高可能有助于紫莖澤蘭的生長反饋并可能有助于促進其入侵擴張,同時這也可能是紫莖澤蘭入侵后土壤中自生固氮菌群落變化導致的結果。
　　 3.紫莖澤蘭對入侵地土壤中自生氮菌群落結構的影響
　　 在上面結果和取樣設置的基礎上,1)采用阿須貝(Ashhby’s)無氮培養(yǎng)基,10-5倍

10、稀釋的土壤溶液涂平板法進行菌落形態(tài)分類和計數(shù)。結果顯示,紫莖澤蘭單優(yōu)群落根圍土壤自生固氮菌數(shù)量顯著高于混生群落和本地植物單優(yōu)群落根圍土壤自生固氮菌數(shù)量；紫莖澤蘭單優(yōu)群落中優(yōu)勢自生固氮菌種類數(shù)增加,本地植物單優(yōu)區(qū)根圍土壤中優(yōu)勢菌為1種,混生區(qū)土壤為2種,而紫莖澤蘭土壤中則為3種。2)采用T-RFLP技術分析上述三類土壤中能被nifH基因識別的自生固氮菌的群落結構,結果顯示,雖然從T-RFLP圖譜上看,紫莖澤蘭入侵前后土壤中群落多樣性變化不

11、明顯,但是,以末端限制性片段代表自生固氮菌種類的分析顯示,紫莖澤蘭入侵改變了土壤中優(yōu)勢自生固氮菌的種類。樣品間T-RFLP圖譜之間相似度(以海靈格距離計算)比較結果顯示紫莖澤蘭單優(yōu)區(qū)與混生區(qū)間的距離(68.5)顯著的大于紫莖澤蘭單優(yōu)區(qū)與本地植物單優(yōu)區(qū)之間的距離(51.5)以及本地植物單優(yōu)區(qū)與混生區(qū)之間的距離(51.1),由此也可以看出,三個樣品之間的自生固氮菌多樣性差異并不呈線性梯度排列。綜上所述,紫莖澤蘭入侵不僅使土壤中自生固氮菌的數(shù)

12、量成倍的增加,而且改變了土壤中優(yōu)勢自生固氮菌的種類,通過上述機制創(chuàng)造合適的自生固氮菌菌群環(huán)境,為其提供充裕的氮源,促進其生長,進而有助于其成功入侵。
　　 4.紫莖澤蘭對入侵地土壤中AMF的影響
　　 采用克隆文庫的方法比較了紫莖澤蘭單優(yōu)區(qū)(DA)、混生區(qū)(T)、本地植物單優(yōu)區(qū)(DN)和裸土區(qū)(Bare Soil)4類植物群落根圍土壤中的AMF種類組成,結果共得到314條AME序列,其中從紫莖澤蘭單優(yōu)區(qū)土樣中得到92條A

13、MF序列,從混生區(qū)土樣得到73條AMF序列,從本地植物單優(yōu)區(qū)土樣中74條AMF序列,裸土中得到75條AMF序列。以大于97％的同源性為標準定義開放分類單元(operational taxonomic units,OTU),共發(fā)現(xiàn)28個OTU。在每個土樣中,如果以含量50％以上的OTU定義為該土樣的優(yōu)勢OTU,則紫莖澤蘭單優(yōu)區(qū)根圍土樣中共得到10種OTU,其中有3種占優(yōu)勢,NCBI比對結果顯示為縮球囊霉(Glomus constrictu

14、m)和兩種不可培養(yǎng)的球囊霉屬(Glomus)的種；混生區(qū)_十樣中共有10種OTU,其中1種占優(yōu)勢,NCBI比對結果顯示為不可培養(yǎng)的球囊霉屬(Glomus)的1個種；本地植物單優(yōu)區(qū)土樣中共有12種OTU,其中2種占優(yōu)勢,NCBI比對結果顯示為球囊霉屬(Glomus)的種；裸土土樣中共有5種OTU,其中2種占優(yōu)勢,NCBI比對結果顯示為大果球囊霉(Glomus macrocarpum)和象牙白球囊霉(Glomus eburneum)。每類土

15、樣中的優(yōu)勢AMF都不屬同一個OUT。紫莖澤蘭改變了入侵土壤中原有的AMF群落組成和結構,主要表現(xiàn)為促進原有的某些種的繁殖,使其上升為優(yōu)勢種,同時抑制另一些種的生長繁殖。不過,也有些AMF種對植物群落組成變化不敏感,即在各種土壤類型中分布較為一致。綜上所述,紫莖澤蘭入侵在種的水平上改變了土壤中AMF的群落結構,并富集了包括縮球囊霉在內(nèi)的三種球囊霉屬的AMF種,這種改變可能有利于改變其與本地植物的競爭關系。
　　 5.總結
　

16、　 紫莖澤蘭入侵顯著增加了根圍土壤中活性有機碳和氮素營養(yǎng)(包括總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮),提高了根圍土壤的固氮能力,增加了根圍土壤中自生固氮菌的數(shù)量,并改變了土壤中優(yōu)勢固氮菌的種類,從而為自身生長創(chuàng)造了有利的氮營養(yǎng)環(huán)境,可能有助于增強其競爭力和促進其進一步擴張。而對于AMF,紫莖澤蘭入侵則顯著改變其群落組成,富集了一些優(yōu)勢種,這種現(xiàn)象的具體作用機制有待進一步探討。本研究結果豐富了外來植物入侵的土壤微生物學機制,并可以為基于土壤管理的紫莖澤