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荒漠草原生态环境脆弱,微生物在其植物的生长和群落构建以及稳定性维系方面发挥重要的作用。在全球气候变化的背景下,通过研究荒漠草原生态系统植物对土壤微生物多样性的影响,探讨植物与土壤微生物群落之间的响应和适应关系,对荒漠草原生态保护和建设具有重要的意义。
试验通过传统的可培养分离纯化方法、生理生化法和分子生物学技术对宁夏灵武白芨滩国家级荒漠生态类型自然保护区所选几种植物种类土壤微生物群落结构、土壤微生物群落活性、土壤微生物群落代谢功能多样性以及珍稀濒危植物沙冬青根瘤菌表型多样性、遗传多样性和系统发育、结瘤基因nodA和固氮酶基因nifH限制性片段长度多态性进行了分析,其主要结果如下:
1植物种类对土壤微生物群落结构的影响
试验在野外考察和采样的基础上,应用传统的纯培养方法和物理化学方法,分析测试了沙米(Agriophyllum squarrosum)、白沙蒿(Artemisia sphaerocephala krasch)、柠条(Caragana korshinskii)、沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)、樟子松(Pinaceae sylvestri)和刺槐(Robinia pseudoacacia.)人工乔木混交林地土壤微生物群落结构,结果表明5种植物土壤细菌、真菌和放线菌三大类微生物种群数量在0~15cm、15~30cm和30~45cm同一土层内差异显著(P<0.05),从上到下不同土层内差异显著(P<0.05),且呈降低趋势;拧条和沙冬青土壤细菌、真菌和放线菌种群数量相对较高,表明这两种植物类型有利于土壤微生物的生长和繁殖,其对改善土壤的质量具有积极的作用;不同植物种类土壤微生物群落中细菌为优势种群;对影响土壤三大类微生物种群数量的主成分分析显示植物种类、土壤有机质和土壤pH对于土壤微生物种群数量和分布具有重要的影响,因此,不同植物形成不同的土壤养分和生态环境条件,导致微生物种群数量和在土壤各层中的分布发生变化。
2植物种类对土壤微生物群落活性的影响
试验利用物理化学方法,分析荒漠草原不同植物种类土壤微生物量、土壤微生物商和土壤酶活性,以探讨敏感和可靠的土壤微生物群落活性响应指标。结果显示,5种植物土壤微生物量C、N、P、土壤微生物商和蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶以及碱性磷酸酶相互比较显示一定的差异(P<0.05);柠条、人工乔木混交林地、沙冬青和白沙蒿土壤微生物量C、N、P、微生物商、蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶活性在0~15cm、15~30cm和30~45cm土层内相对较高;土壤微生物量C、N、P和土壤酶之间以及土壤酶和土壤理化性质之间的相关性分析表明土壤微生物活性因子之间互相关联,综合反映了植物对土壤微生物群落活性的影响;对5种植物影响下的土壤微生物生物量C、N、P、土壤微生物商、蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶、碱性磷酸酶进行主成分分析分析显示,土壤微生物量C、N、P、蔗糖酶在反映该5种植物土壤微生物群落活性方面具有重要贡献。
3植物种类对土壤微生物群落代谢功能多样性的影响
试验中通过采用31种碳源的Biolog ECO PlateTM系统分析微生物群落代谢功能多样性,土壤微生物群落总碳源利用的动力学特征显示,随着培养时间的延长,5种不同植物土壤微生物群落利用各种单一碳源量呈逐渐增加的趋势,温育48小时后5种植物之间土壤微生物群落代谢活性差异极显著(P<0.01);不同植物土壤微生物利用单一碳源的能力的大小顺序为:白沙蒿>人工乔木混交林>柠条>沙米>沙冬青;土壤微生物群落碳源利用类型的主成分分析表明,5种植物土壤微生物群落利刚碳源的效率存在差异,利用的主要碳源种类是这8种氨基酸类、8种糖类和8种羧酸类化合物,共24种碳源;5种植物土壤微生物群落代谢功能多样性比较显示,物种丰富度指数差异极显著(P<0.01),均匀度指数差异极显著(P<0.01),Shannon指数差异不显著(P>0.05)。
4沙冬青根瘤菌表型多样性分析
试验应刚表型性状的测定和数值分类,对分离白宁夏和内蒙古阿拉善荒漠草原沙冬青根瘤菌进行表型多样性分析。通过分离纯化获得44株测试曲株,选取了37株未知测试菌株和11株参比菌株进行唯一碳氮源利用、抗生素和染料抗性、耐盐碱和初始pH生长、生长温度范围和脲酶反应共94项生理生化性状测定,结果表明,沙冬青根瘤菌在碳源利用、抗生素敏感型和染料抗性方面存在差异,参加测试的菌株对15项所选氨基酸氮源均能利用,同时测试菌株具有较强的耐盐碱和耐高温能力;经数值分类,测试菌株在80%的相似水平上聚为2个表观群,表观群Ⅰ和表观群Ⅱ在鉴别特征上存在差异。
5沙冬青根瘤菌遗传多样性和系统发育分析
试验利用16S rDNA PCR-RFLP、16S~23S rDNA IGS PCR-RFLP、16S rDNA序列分析方法,首次对分离自宁夏和内蒙古阿拉善荒漠草原沙冬青根瘤菌进行了遗传多样性和系统发育分析。结果表明,16S rDNA PCR-RFLP和16S~23S rDNA IGS PCR-RFLP遗传图谱聚类结果基本相符,且16S~23S rDNA更能充分反映菌株间的遗传差异,16S rDNA PCR-RFLP限制性酶切图谱聚类结果得到16S rDNA基因序列分析结果的支持,测试菌株在系统发育上分别归属于中慢生根瘤菌属(Mesorhizobium)、叶杆菌属(Phyllobacterium)、中华根瘤菌属(Sinorhizobium)、土壤杆菌属(Agrobacterium)、根瘤菌属(Rhizobium),沙冬青根瘤菌具有丰富的遗传多样性。
6沙冬青根瘤菌结瘤基因nodA和固氮酶基因nifH限制性片段长度多态性分析
通过nodA PCR-RFLP和基因序列分析构建的系统发育树所揭示的沙冬青根瘤菌系统发育关系显示,沙冬青根瘤菌nodA基因遗传多样性较高,其根瘤菌在结瘤方面具有较宽的宿主范围;以nifH基因序列分析构建的系统发育树将测试菌株分成2个大的系统发育分支,即中慢生根瘤菌和中华根瘤菌系统发育分支,其与本研究中以16S rDNA序列分析建立的系统发育关系存在一定的差异,但与以nodA基因序列分析建立的系统发育关系结果基本相似,说明染色体基因影响着共生基因的进化,nif基因和nod基因在根瘤菌中有紧密的联系,受宿主植物和环境的影响,因此,豆科植物的共生关系是细菌、植物和环境相互作用的结果。