植物根圈微生物群落与功能特异性机制研究

植物-土壤微生物交互作用在土壤养分循环、碳固存和温室气体排放等生态过程中发挥着重要作用,而植物源有机物输入被认为是植物-微生物交互作用的纽带。根圈土壤微生物在群落结构和功能上与根圈外土壤差异显著,并存在一定的植物群落特异性。植物源有机物的高度可利用性对土壤微生物具有复杂的影响,改变着土壤生态过程。因此,揭示植物源有机物的输入对土壤微生物的影响有助于深化对植物-土壤微生物反馈作用的认识,同时为养分循环调控、肥料施用时效、作物增产和温室气体排放及生态平衡维持提供理论支持。基于国内外最新相关研究进展,综述了两大类植物源有机物(根际沉积和凋落物)的组成和输入时间对土壤微生物群落结构和特定功能(以氮循环为例)的影响机制;探讨了稳定性同位素示踪技术、分子探针技术和宏基因组学等研究方法在植物-土壤微生物交互作用中的综合应用;总结了植物生命周期内植物源有机物化学组成和输入时空差异对植物特异性土壤微生物群落的诱导机制。植物源有机物输入对微生物群落结构和功能具有重要影响,不但显著提高优势微生物群落生物量、改变微生物群落结构及相关功能、调控特定土壤微生物活性,并且其化学性质多样性决定了土壤微生物群落植物特异性。因此,植物源有机物输入是驱动植物根圈特异微生物群落结构演替与功能演变的重要因子。     

马铃薯连作对土壤微生物群落结构和功能的影响

采用BIOLOG技术,研究马铃薯连作对土壤微生物群落结构和功能的影响。研究发现：连作土壤湿热灭菌后,细菌、放线菌及微生物总量都明显升高,真菌数量显著降低。连作土壤添加马铃薯残茬后,细菌数量降低,真菌数量增加。连作土壤中微生物对多聚化合物和碳水化合物的利用能力较高;湿热灭菌后,土壤微生物对6类碳源的利用率有升有降,表现为对羧酸类化合物、芳香化合物的利用率升高,对多聚化合物、碳水化合物、氨基酸、胺类化合物的利用率降低,微生物丰富度和均匀度降低。土壤病源微生物可能是马铃薯连作障碍发生的原因之一。     

秸秆生物炭施用对玉米根际和非根际土壤微生物群落结构的影响

为探究生物炭施用对土壤微生物群落结构与功能的影响,以广东博罗某生态农业实验基地玉米地为试验对象,设置3个处理,分别按0(C)、5(B1)、10(B2)t·hm~(-2)施加秸秆生物炭,分别于第7天、14天、21天后采集根际土壤及非根际土壤样品,通过对玉米根际及非根际土壤细菌16S rDNA进行高通量测序分析,结合16S rDNA PICRUSt功能预测技术,探究生物炭施用对玉米根际土壤及非根际土壤微生物群落结构与功能的影响。结果表明,与空白对照组相比,施加生物炭可明显增加玉米非根际土壤微生物群落多样性,施加21 d后C组、B1组和B2组chao1指数分别为1 261、2 707和2 472;对根际土壤微生物多样性影响不显著(P=0.406)。施加5t·hm~(-2)生物炭后,玉米根际土壤酸杆菌门(Acidobacteria)相对丰度升高,但施加10 t·hm~(-2)生物炭处理酸杆菌门(Acidobacteria)相对丰度降低。在科水平上,施加生物炭后,玉米非根际土壤黄色单胞菌科(Xanthomonadaceae)受到明显抑制,而施加生物炭与否及施加量多少对根际土壤黄色单胞菌科(Xanthomonadaceae)丰度高低影响不显著(P=0.857)。PICRUSt预测结果表明,生物炭施加对玉米土壤微生物群落代谢、遗传、信息传递等过程产生影响,从而改变微生物的群落结构及生态功能。综上,施用生物炭会影响玉米土壤微生物群落结构与功能,相对于施加10 t·hm~(-2)处理,施加5 t·hm~(-2)处理对土壤微生物群落结构的影响效果更为显著。该研究结果可为生物炭农业化利用机制研究及施加量选择提供参考。     

抚育间伐对川西柳杉人工林土壤养分和根际微生物群落的影响

以川西中山地区9年生柳杉人工林为研究对象,设置CK(0%)、T36(36.9%)、T49(49.0%)共3种处理,探讨不同间伐强度对柳杉人工林土壤养分、酶活性及根际微生物群落与功能作用的影响,为柳杉人工林提质增效提供可持续经营的科学指导.结果显示：（1）间伐能提高0-20 cm土壤表层有机碳（SOC）、全氮（TN）、水解氮（HN）含量,而T49(49.0%)处理下有效磷（AP）损失最大.（2）间伐后土壤蔗糖酶活性显著提高（P <0.05）,T36(36.9%)处理能显著促进0-20 cm表层土壤纤维素酶活性的提高.（3）间伐改变了根际土壤优势菌群相对丰度,子囊菌门（Ascomycota）相对丰度显著高于CK(0%)处理（P <0.05）,细菌丰富度没有明显影响,但真菌丰富度Ace指数、Chao指数显著降低（P<0.05）.(4)对根际微生物进行功能预测,T36(36.9%)、T49(49.0%)的膜运输细菌相对丰度显著高于CK(0%)处理（P <0.05）,而CK(0%)的能量代谢细菌相对丰度显著低于T36(36.9%)处理（P <0.05）.(5)T36...     

土壤结构和植被对土壤微生物群落的影响

土壤微生物是土壤中最活跃的组成部分,直接或间接参与成土过程、有机质分解、养分循环、植物根系对土壤的资源吸收、种子萌发等生态学过程,对陆地生态系统功能具有重要作用.在人类活动日益加剧的驱动下,土壤结构和植被类型变化及其交互作用对土壤中微生物群落结构和功能产生了多方面的效应,揭示其机理可为生态系统管理、生态恢复、农业发展提...     

桑园土壤微生物群落功能多样性对PAHs污染的响应

为了探明桑园土壤微生物群落功能多样性与多环芳烃(PAHs)污染的关系,采用Biolog检测法研究某路域桑园土壤微生物功能多样性对PAHs污染的响应。结果表明,不同区域PAHs污染程度由大到小依次为区域2(位于区域1和3之间)、3(离公路最远)和1(离公路最近);Biolog分析发现不同区域土壤微生物对碳源利用的平均颜色变化率(AWCD)由大到小依次为区域2、3和1;区域2的Shannon指数和Gini指数均显著高于区域1和3,而区域1的Shannon均匀度显著低于区域2和3,区域2土壤微生物活性最强且群落结构最丰富,其后依次为区域3和1。主成分分析结果显示,3个区域微生物群落的生理功能差异明显,主要表现在对糖类和氨基酸类物质的代谢上。冗余分析表明,区域2土壤微生物与PAHs含量关系最密切,说明较高的PAHs含量更能激发桑园土壤微生物的生理活性,微生物群落代谢功能因PAHs污染而有所提高。     

河流底泥施用对土壤微生物群落功能多样性和小麦生长的影响

设置0（对照）、20、60和100g·kg-1 3个底泥施用量水平,研究施用底泥对冬小麦籽粒Cd含量以及土壤微生物群落功能多样性的影响。结果表明,60和100g·kg-1底泥施用处理小麦穗质量和千粒重显著高于对照（P〈0．05）。各处理间小麦籽粒cd含量无显著差异。与对照相比,施用底泥并没有显著改变土壤中可培养细菌、真菌和放线菌的数量。整个培养过程中土壤微生物平均颜色变化率（IAWCD）以及96h时微生物多样性指数（Shannon指数、Simpson指数、McIntosh指数）在对照与底泥施用处理间无显著差异。主成分分析（PCA）表明,仅有占总变量方差14．22％的PC3能识别出对照土壤微生物群落碳源利用谱与底泥施用处理间的差异,而PCI（21．76％）、PC2（16．32％）和PC4（11．62％）则无法将对照与底泥施用处理区分开来。可见,该试验条件下合理的底泥施用量并不会对小麦籽粒Cd含量、微生物功能多样性和土壤质量产生显著影响。     

间作与接种AMF对连作土壤微生物群落结构与功能的影响

为了探明间作种植模式和接种AMF对连作土壤的影响,试验选取马铃薯连作10年土壤为基质,采用两因素随机区组盆栽实验设计,研究间作及接种AMF对连作土壤微生物群落结构及功能的影响。结果表明：在不同间作模式及AMF接种后,连作土壤微生物群落结构、功能均有不同程度的差异。间作调控后马铃薯｜｜玉米｜｜蚕豆处理土壤细菌比例最高,放线菌次之,真菌最低;Biolog Eco板平均颜色变化率（AWCD）比对照高36.77%。间作并接种AMF（Gloumus etunicatum）后,土壤微生物功能多样性增强,土壤真菌的比例上升,细菌、放线菌的比例下降;马铃薯｜｜蚕豆、马铃薯｜｜玉米｜｜蚕豆土壤孢子密度与其他处理有显著差异（P〈0.05）;马铃薯｜｜玉米｜｜蚕豆处理在培养96 h后的平均颜色变化率（AWCD）值比单作高48.96%。各处理土壤根际微生物群落在2种方式的调控下对碳水化合物、氨基酸碳源利用强度较高,对芳香化合物的利用能力较弱;调控后碳源利用类型开始从碳水化合物、胺类化合物向胺类化合物和多聚化合物利用类型转变。间作调控和AMF调控对土壤微生物群落功能多样性的增加可能存在一定的叠加效应。土壤微生物群落结构、功能多样性的变化是多种因子综合作用的结果。     

微塑料对农田土壤理化性质、土壤微生物群落结构与功能的影响

微塑料作为一种新污染物普遍存在于各类环境介质中,土壤环境中的微塑料污染已受到全球的广泛关注。该研究围绕农田土壤中微塑料污染这一主题,在总结分析国内外最新研究进展的基础上,综述了微塑料对农田土壤理化性质、土壤微生物生物量以及微生物群落结构与功能的影响。通过农业活动等途径进入农田土壤的微塑料会在非生物和生物作用下发生风化和降解,并对土壤理化性质、养分循环和污染物相互作用产生影响,进而影响微生物生物量、微生物群落结构与多样性、土壤酶活性,以及碳、氮循环和污染物降解等土壤生物地球化学过程,且微塑料对上述指标的影响与微塑料自身性质、土壤类型和暴露条件等多种因素有关。最后,对未来土壤微塑料的研究方向做了展望,以期为后续研究提供参考和思路。     

恩诺沙星残留对土壤微生物数量及群落功能多样性的影响

对不同浓度恩诺沙星作用于土壤后三大类微生物数量及群落功能多样性进行了研究. 结果表明,恩诺沙星残留对它们影响强弱顺序为:细菌>放线菌>真菌,其影响作用随浓度从每克土 0. 01μg至 10μg的增加而加大,药物作用活性维持期为 6~8d,但对真菌作用不明显. 相对较低浓度的恩诺沙星残留(每克土中 0. 1μg, 1μg)不影响土壤微生物群落功能多样性,而相对较高浓度的恩诺沙星残留 (每克土中 10μg)则降低了其微生物群落功能多样性.图 2表 2参 9     

玉米免耕秸秆覆盖对土壤微生物群落功能多样性的影响

为了研究免耕对土壤微生物功能多样性的影响,本项试验运用Biolog-ECO检测手段,对连续2年的玉米（Zea mays L.）保护性耕作试验全部秸秆覆盖免耕和常规耕作2种耕作处理的土样进行了土壤微生物功能多样性研究。试验表明：（1）免耕土壤微生物对碳源利用率以及不同碳源利用率高于常规耕作,免耕对总体碳源利用率平均值比常规耕作高53.1%;（2）免耕土壤微生物丰富度指数、多样性指数显著高于常规耕作,免耕微生物群落丰富度指数22.33±0.57,多样性指数3.02±0.04,常规耕作微生物群路丰富度指数14.33±1.15,多样性指数2.56±0.12。免耕秸秆覆盖耕作措施促进了土壤微生物活性、增加土壤微生物数量。     

长期施肥对双季稻田根际土壤微生物群落功能多样性的影响

微生物群落功能多样性是表征土壤质量变化的敏感指标,施肥措施可对土壤微生物群落功能多样性产生明显的影响。以位于双季稻主产区湖南省宁乡县国家级稻田肥力长期定位试验田为研究对象,应用Biolog技术分析了不同施肥处理(化肥、秸秆还田+化肥、30%有机肥、60%有机肥、无肥对照)对双季稻田根际土壤微生物功能多样性的影响,从根际土壤微生物功能多样性的角度评价施肥对土壤质量的影响。研究结果表明,有机肥与化肥配施以及单施化肥处理水稻根际土壤微生物对碳源的利用程度均显著高于其他处理,而秸秆还田处理水稻根际土壤微生物对碳源的利用程度低于无肥处理。在早稻和晚稻成熟期,Mc Intosh指数均以60%有机肥和30%有机肥处理为最高,其次为施用化肥和无肥处理,秸秆还田处理最低;Richness和Shannon指数大小顺序均表现为60%有机肥30%有机肥秸秆还田无肥化肥。土壤微生物碳源利用的主成分分析表明,各施肥处理水稻根际土壤微生物群落利用的主要碳源为氨基酸类和糖类,但不同施肥处理间碳源利用类型存在较大差异。总的来说,不同的施肥处理对水稻根际土壤微生物功能多样性产生了不同影响,长期有机肥配施化肥有利于维持稻田根际土壤微生物群落多样性。     

近地层臭氧浓度升高对麦田土壤微生物群落功能多样性的影响

利用中国臭氧FACE(Free-air O3concentration enrichment,开放式空气臭氧浓度增高)试验平台,通过测定麦季土壤水溶性有机碳含量、土壤呼吸强度和BIOLOG指标,研究了近地层臭氧浓度升高50%条件下(~70 nmol mol-1),麦田土壤微生物功能多样性的响应.结果发现,臭氧浓度升高下麦田土壤水溶性有机碳含量提高,土壤微呼吸强度增加,平均吸光值显著高于对照(P<0.05).多样性指数结果显示,臭氧浓度升高对麦田土壤微生物丰富度和优势度指数没有显著影响,但是臭氧处理下均一度指数显著高于对照(P<0.05);主成分分析显示,相对于其它碳源,臭氧浓度升高对麦田土壤微生物的糖类物质利用能力的影响最大.研究揭示了1.5倍的近地层臭氧浓度增强了麦田土壤微生物碳源利用能力,特别是非优势微生物.     

长春市土壤重金属化学形态与土壤微生物群落结构的关系

采用样品采集、室内分析和多种数据统计方法相结合的方法,研究了长春市土壤重金属化学形态与土壤微生物群落结构的关系.结果表明:长春市土壤重金属(Pb、Cd、Cu、Zn和Ni)不同化学形态对土壤微生物群落结构影响明显不同,碳酸盐结合态的Pb和Ni对放线菌的生长繁殖具有刺激作用,碳酸盐结合态Zn对细菌的生长繁殖具有刺激作用,铁锰氧化物结合态和有机结合态的Zn与有机结合态Cu对细菌、放线菌的生长繁殖具有刺激作用.土壤理化性质对重金属化学形态与微生物群落结构之间的关系影响很大,其掩盖了土壤重金属化学形态对土壤微生物群落结构特征的影响,有机质含量、电导率、阳离子交换量掩盖了重金属化学形态对细菌、放线菌和微生物总数的影响.自然含水率掩盖了重金属化学形态对多样性指数的影响.采用重金属的化学形态评价重金属对土壤微生物参数的影响更合理,而且在确定评价长春市土壤重金属污染状况指标时,应该剔除土壤理化性质的影响.选择有机结合态Cu、铁锰氧化物结合态Zn与微生物群落多样性指数相结合来评价长春城市土壤重金属Cu和Zn的污染状况.     

农田土壤抗生素抗性基因与微生物群落的关系

抗生素抗性基因(Antibiotic resistance genes,ARGs)作为一种新型环境污染物,近20年来在农田土壤中广泛富集,促进了耐药性的传播.土壤微生物群落在农业种植下也发生了极大的变化,由于ARGs的传播扩散与微生物息息相关,因此关于两者之间关系及相互作用的研究急速增加.本文通过综述近几年的国内外研究成果,概述了农田土壤ARGs的分布现状和优势微生物群落的变化情况,从农业种植模式、有机肥施用情况、施用有机肥的种类、土壤理化性质和土壤污染影响等角度总结ARGs富集与优势微生物群落、微生物多样性变化的关系,指出耐药菌的变化情况,基于当下研究的不足展望了继续深入探索的方向,为今后进一步深入探索两者间的科学规律提出了设想.     

土壤改良剂和红麻联合修复对多金属污染土壤中微生物群落功能的影响

应用BIOLOG技术对广东省大宝山矿山周边多金属污染土壤修复过程中微生物生态特征的变化进行分析.结果表明,种植红麻(Hibiscus cannabinus)前施用改良剂可以显著提高土壤微生物活性,各处理土壤微生物活性由大到小依次为有机肥+石灰石≈粉煤灰、白云石、石灰石和对照(未施用改良剂),其中施用有机肥+石灰石对提高多金属污染土壤微生物的代谢多样性有显著效果;种植红麻后各处理土壤微生物活性由大到小依次为有机肥+石灰石、粉煤灰、石灰石、对照和白云石,有机肥+石灰石和红麻联合修复对增加土壤微生物活性的效果更显著;种植红麻后,施用有机肥+石灰石可以刺激根系分泌L-丝氨酸、4-羟基苯甲酸和L-精氨酸等碳源,使微生物对胺类和氨基酸类碳源的利用能力大幅提高.各处理土壤微生物对糖类、氨基酸类和胺类等碳源的利用能力增强,有助于重金属污染土壤的生态修复.     

施氮对不同有机碳水平桉树林土壤微生物群落结构和功能的影响

碳、氮是影响土壤微生物群落结构和功能的2种重要生源要素,但研究施氮对人工林土壤微生物群落影响时很少考虑土壤有机碳水平。本研究以我国南方桉树Eucalyptus人工林为对象,研究施氮水平(对照:0 kg·hm-2,常规施氮水平166.8kg·hm-2,施二倍氮素水平333.7 kg·hm-2)对不同有机碳水平桉树林土壤微生物群落结构(磷脂脂肪酸构成)和功能(土壤酶活性及可溶性土壤有机碳含量)的影响,结果表明:施氮显著降低土壤微生物群落磷脂脂肪酸总量以及细菌、真菌、放线菌磷脂脂肪酸量和真菌/细菌比值(P0.05);区分不同处理的土壤微生物磷脂脂肪酸主要是:真菌特征脂肪酸16:1ω5c、18:1ω9c、18:2ω9c及细菌特征脂肪酸16:1ω7c、i17:0和放线菌特征脂肪酸10Me18:0;施氮显著增加了土壤纤维素酶、酚氧化酶活性及土壤可溶性有机碳含量(P0.05);尽管高土壤有机碳水平样地的土壤微生物磷脂脂肪酸量、土壤酶活性以及可溶性有机碳含量显著高于低土壤有机碳水平样地,但低、高土壤有机碳水平样地的土壤微生物群落结构和功能对施氮的响应不一致,土壤细菌、真菌、放线菌磷脂脂肪酸量以及酚氧化酶活性和土壤可溶性有机碳含量在低土壤有机碳水平样地中对施氮的响应更敏感,而这些指标在高土壤有机碳水平样地中只有在施二倍氮素处理中才显著降低或不变化。该研究结果表明不同土壤有机碳水平中的土壤微生物群落对施氮的响应不一致,强调了在全面认识氮肥施用对土壤微生物群落的影响时,需要充分考虑土壤有机碳水平。     

转双价抗真菌病害基因大豆对根际土壤微生物群落结构的影响

采用传统的平板计数法和变性梯度凝胶电泳技术,对转chi+rip(几丁质酶和核糖体失活蛋白)双价抗真菌基因大豆转基因G0431以及其亲本非转基因大豆黑农35种植后的根部土壤可培养细菌(含芽胞杆菌、产荧光假单胞菌)、真菌、放线菌进行平板计数及细菌和真菌的群落结构分析.结果表明,二者根部土壤可培养细菌(含芽胞杆菌和产荧光假单胞)、真菌和放线菌的数量并无显著差异;此外,变性梯度凝胶电泳图谱的聚类分析结果显示,时间变化是造成根部土壤细菌和真菌群落结构变化的主要因素,而同一时间内转基因G0431和黑农35根部土壤的细菌和真菌群落结构之间并无显著不同.在大豆的整个生长期内,根部土壤细菌群落多样性指数为5.32～5.37,群落分布均匀度指数为0.91~0.95;根部土壤真菌群落多样性指数为4.78～4.91,群落分布均匀度指数为0.81～0.89.以上结果说明,几丁质酶和核糖体失活蛋白双价基因的导入并没有对大豆根际可培养细菌(含芽胞杆菌和产荧光假单胞)、真菌和放线菌的数量以及细菌和真菌的群落结构产生显著影响.图4表2参22     

氢气对刺槐根际土壤微生物种群和土壤酶活性的影响

模拟豆科植物根瘤在固氮过程中释放氢气,分析其对根际土壤产生的影响.从黄土高原人工刺槐林采集有根瘤的刺槐根际土壤样品,采用电解水产生氢气分次处理,对处理后与未处理的土壤样品内微生物种群数量、微生物代谢强度及土壤脱氢酶、过氧化氢酶、脲酶、转化酶等指标进行比较分析.氢气处理后的两批土样中,氢氧化细菌数量均显著增多,分别占9月、5月土壤微生物总量的34.9%和32.4%;微生物在土壤中代谢强度分别增加了140.2%和57.6%;土壤脱氢酶、过氧化氢酶、脲酶和转化酶含量均表现增加,其中9月处理土壤分别增加36.6%、57.1%、26.6%和147.0%,5月处理土壤分别增加37.2%、6.6%、108.8%和147.0%.研究结果为根瘤固氮过程中产生氢气对根际土壤微环境的影响及促生机制提供了实验资料.图2表3参14