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东北地理所揭示CO2浓度升高对大豆根际微生物群

发布时间:2019-06-19 23:02编辑:中国制造浏览(128)

    CO2浓度升高会促进豆科植物的根瘤形成和氮素固定,从而影响土壤氮循环过程,而这些过程均与固氮细菌的群落结构密切相关。明确土壤固氮细菌群落结构组成对于提高豆科植物的固氮能力、提高氮素匮乏的土壤中固氮细菌的数量以及增加土壤氮素含量有着重要意义。

    CO2浓度升高会促进豆科植物的根瘤形成和氮素固定,从而影响土壤氮循环过程,而这些过程均与固氮细菌的群落结构密切相关。明确土壤固氮细菌群落结构组成对于提高豆科植物的固氮能力、提高氮素匮乏的土壤中固氮细菌的数量以及增加土壤氮素含量有着重要意义。

    以CO2浓度升高为主要特征的全球气候变化已经对农田生态系统产生重大影响,成为全球农业可持续发展的严峻挑战。CO2浓度升高影响植物生理代谢过程,导致植物根系分泌物的总量和化学组成发生改变,进而可能影响土壤微生物群落结构和生态功能。由于土壤微生物驱动碳氮循环,参与土壤养分转化,揭示CO2浓度升高条件下,根际土壤微生物的群落结构及其与土壤农化指标的关系对土壤生产力可持续发展和提高农业生产的气候变化适应性将产生重要意义。

    大豆是我国重要的农作物,对保障粮食生产安全有着重要意义,我国东北是大豆集中产区之一。已有研究表明二氧化碳浓度升高会增加东北地区不同大豆品种根瘤的数量、重量和密度,同时还发现3个根瘤菌属的数量在二氧化碳浓度升高时会显著上升。但是,由于实验技术和手段的限制,以往研究只是针对二氧化碳浓度升高如何影响根瘤性状和土壤细菌群落结构的变化,关于CO2浓度升高对固氮细菌丰度和群落结构的研究较少,尤其针对CO2浓度升高对东北黑土豆科植物nifH基因的丰度和群落结构如何影响的研究还未见报道。

    大豆是我国重要的农作物,对保障粮食生产安全有着重要意义,我国东北是大豆集中产区之一。已有研究表明二氧化碳浓度升高会增加东北地区不同大豆品种根瘤的数量、重量和密度,同时还发现3个根瘤菌属的数量在二氧化碳浓度升高时会显著上升。但是,由于实验技术和手段的限制,以往研究只是针对二氧化碳浓度升高如何影响根瘤性状和土壤细菌群落结构的变化,关于CO2浓度升高对固氮细菌丰度和群落结构的研究较少,尤其针对CO2浓度升高对东北黑土豆科植物nifH基因的丰度和群落结构如何影响的研究还未见报道。

    为此,中国科学院东北地理与农业生态研究所农田分子生态学科组助理研究员于镇华、李彦生和研究员金剑等采用OTC植物生长箱,以自然状态CO2浓度条件下生长的大豆为对照,采用qPCR及高通量测序技术,对比研究了高CO2浓度条件下4种主栽大豆品种根际微生物群落结构组成的变化。研究证实CO2浓度升高对东北黑土生长的大豆根际细菌群落结构产生明显的影响,发现高CO2浓度显著影响15个细菌属的丰度,而且这种影响程度在不同大豆品种间存在差异;在真菌研究方面,发现CO2浓度升高显著改变了真菌群落结构并提高了部分大豆品种根际真菌丰度,微生物网络分析表明CO2浓度升高简化了土壤真菌的网络结构及关键菌属,而这些变化与土壤理化性质密切相关。此研究结果将有助于预测我国东北黑土微生物对全球气候变化的响应机制及其与土壤质量的变化关系。

    为此,中国科学院东北地理与农业生态研究所农田分子生态学科组助理研究员于镇华和研究员金剑等采用qPCR及高通量测序技术,对比研究了高CO2浓度与正常CO2浓度条件下东北地区4个主栽大豆品种根际固氮细菌群落结构丰度和组成的差异,旨在揭示东北大豆根际固氮细菌丰度和群落结构对二氧化碳浓度升高的响应规律,及其与根瘤相关性状的关系。结果表明CO2浓度升高显著提高了部分大豆品种根际nifH基因丰度,并且nifH基因丰度与根瘤密度呈负相关(p ≤ 0.01),而与单个根瘤重量呈正相关(p ≤ 0.01)。其次,发现Skermanella属(28.1–53.8%)和Rhizobiales的部分未知属(24.2–41.9%)是东北大豆根际土壤固氮细菌的主要成员。主成分分析表明CO2浓度升高并没有显著改变固氮细菌的群落结构组成,归其原因是根际固氮细菌的核心OTU成员并未受到CO2浓度升高的影响,说明CO2浓度升高会刺激大豆根际固氮细菌的生长而不会改变其群落结构,这与大豆品种和大豆结瘤对高CO2浓度的响应有关。

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    相关研究结果发表在Agriculture, Ecosystems & Environment(2016,2018)上,于镇华和李彦生为共同第一作者,金剑为通讯作者。研究得到了中科院百人计划、黑龙江省杰出青年科学基金以及国家自然科学基金(41201247, 41271261, 31501259)的联合资助。

    相关研究结果发表在Biology and Fertility of Soils上,于镇华为第一作者,金剑为通讯作者。研究得到中科院百人计划、黑龙江省杰出青年科学基金以及国家自然科学基金(41201247, 41271261, 31501259)的联合资助。

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