大豆/玉米间作体系中微生物组在调控铁缺乏适应性中的作用机制
黄土高原地区是碱性石灰性土壤，土壤中铁的溶解度因较高的pH和高含量的碳酸盐而严重降低，明显抑制作物对铁的吸收和利用。间作可使作物间发生资源互补，在提高体系生产力、促进土壤养分活化和作物吸收利用、改变土壤微生物群落结构等方面起到了重要作用。间作是如何影响土壤-植物系统中铁的吸收利用以及相关的微生物学机制是什么还不是很清楚？因此本实验以大豆和玉米植株为实验材料，从野外采取土壤进行盆栽试验，利用各种生理生化、高通量测序和代谢组学的方法，研究在铁缺乏条件下，间作如何调控土壤-植物系统中铁吸收和转运，以及其对根际微生物多样性和根系分泌物分布规律的影响。主要结果如下： （1）铁缺乏和铁过量都抑制了大豆和玉米的生长，大豆和玉米三个生长时期不同部位的干重均在铁含量适当时最高，且间作显著提高了大豆叶子的干重；随着有效铁含量的升高，大豆和玉米叶绿素含量和光合速率逐渐升高，且间作显著提高了玉米的光合速率。间作还提高了植物对铁以及其它养分的吸收利用：间作与单作相比，显著提高了大豆全铁、有机碳、全磷的含量和玉米全氮、有机碳、全磷含量；提高了大豆和玉米三个生长时期土壤全氮、有机碳、β-葡糖苷酶含量。 （2）不同铁浓度与种植模式影响了土壤微生物群落多样性。在大豆根区、根际和根内以及玉米根区、根际中，不同种植模式和不同铁含量的微生物群落都有显著差异。不同铁浓度与种植模式改变了植物根相关微生物类群。在铁缺乏条件下，大豆根际显著富集了Herpetosiphon、Ensifer和Gaiella，玉米根际显著富集了Microbacterium和Rhizobium，它们是潜在的具有产生铁载体能力或促进植物铁吸收能力的菌株。种植模式和铁含量还改变了微生物群落的相互作用关系。在低缺乏条件下，间作体系中大豆和玉米根际的微生物网络比单作更加复杂。 （3）间作显著改变了大豆和玉米根系分泌物的结构与组成，并且对于大豆根系分泌物的解释度更高；而铁含量只对玉米根系分泌物有显著影响。在铁缺乏条件下，大豆根系在间作时显著富集了Oleamide、Fenpropimorph和Coumestrol等物质，玉米根系在间作时显著富集了Oleamide、Coumestrol和Daidzein等物质。 （4）土壤理化性质影响了微生物群落和根系分泌物的结构和组成，根系分泌物与微生物群落具有一定相关性，且在玉米中相关性更强。在玉米根际中，Coumestrol与Nakamurella显著正相关；在大豆根际中，Coumestrol与Pirellula显著正相关，它们潜在具有促进植物铁吸收的作用。与缺铁条件下间作体系中显著富集的微生物相关的根系分泌物，和与Coumestrol显著相关的微生物潜在具有促进植物铁吸收的能力。 综上所述，在碱性石灰性土壤中，大豆/玉米间作提高了植物对铁缺乏环境的适应性，进而促进了植物对其它养分的吸收，并改善了土壤中全氮、有机碳等养分含量。在铁缺乏条件下，大豆和玉米根际显著富集相关微生物和根系分泌物，它们可能具有产生铁载体能力或能够促进植物的铁吸收。本研究为土壤不同铁含量条件下植物的调控提供一定的理论基础和科学依据，为缓解植物缺铁提供新的思路和解决办法。同时为活化和促进北方半干旱地区碱性石灰性土壤中铁的有效利用以及提高作物生产力提供科学依据。
大豆;玉米;间作体系;微生物组;铁缺乏适应性;调控机制
西北农林科技大学
硕士
微生物学
韦革宏;陈娟
2022
中文
S565.1;S513
2023-02-14（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）