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根瘤菌(Rhizobia)是革兰氏阴性无芽孢细菌,能在豆科植物根系分泌的黄酮类化合物激活下诱发根瘤共生体系的形成[1-3]。根瘤是生物固氮的主要场所,能促进植物和微生物间代谢物和固氮产物的交换,在全球氮循环、生态改良和农林生产等方面发挥着重要作用[4]。前人研究发现,根瘤内不仅有根瘤菌,其中还存在着大量非根瘤菌(Non-rhizobia endophytes)[5],它们与根瘤菌以及与植物体、土壤环境之间相互作用形成了特殊的微生态系统。多数根瘤菌能促进植物生长、增加土壤有机碳、速效氮和全氮含量,发挥典型的肥力岛效应 [6-7],而根瘤内其他内生菌虽不能诱导结瘤,但对宿主植物有促生、抗病、内生联合固氮等作用,因而也越来越受到关注[8-12]。Rajendran等[13]研究表明,单独接种木豆内生芽孢杆菌不能使木豆结瘤或促生而只能提高叶绿素含量;但与根瘤菌共接种时,对植株鲜质量、叶绿素含量等均有促进作用。Ibáez等[14]发现,阿根廷的花生(Arachis hypogaea L.)根瘤中的 Pseudomonas spp.、Enterobacter spp.等内生细菌,在与Bradyrhizobium 共生菌株混合接种花生时可以增加作物产量。李继红等[15]发现大豆根瘤中几乎所有菌株都产生IAA,部分可溶解磷矿物,少数具有固氮能力。
南洋楹(Falcataria falcata)是豆科Leguminosae南洋楹属 Falcataria常绿乔木,是国际林业研究协会(IUFRO)大力推广的速生固氮树种之一。我国自1940 年开始引种南洋楹,该树种在广东、广西等南方省(区)表现出较强的适应性和速生性,6 a生平均树高14.5 m、平均胸径17.5 cm[16],无愧于“植物赛跑家”的称号。南洋楹的速生特性决定了其生长发育需要充足养分[17-20],苗期常采用高剂量配方施肥配合精细管理等方式[18-20]。而采用接种结瘤促生的方式鲜有报道[21]。基于根瘤菌与其他内生菌群协同增效的“菌-菌互作”原理,本研究以不同来源南洋楹根瘤提取液为接种菌液,开展南洋楹苗木接种对比试验,探究微生物共生对其苗期生长结瘤、生物量积累、光合及固氮的影响,并运用高通量测序技术对回接根瘤16S rRNA基因全长测序,并以Silva.138为参考数据库进行物种注释,揭示相对丰度较高的根瘤内生菌与南洋楹苗木重要生长指标的关系,以期为南洋楹微生物菌肥研发奠定基础,同时也可为今后扩展根瘤菌研究视野以及科学利用根瘤中某些非根瘤菌提供依据[8]。
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苗木移栽3个月后,3个接种处理及对照苗木均能正常生长(图1A),苗木生长与结瘤测定结果表明(图1B),接种处理的苗高、地径、根长、根瘤数、根瘤鲜质量等均比对照有极显著的增长(p <0.01)。其中YZ处理的苗木长势最优,苗高、地径和根长等3项生长指标值分别达到14.38 cm、2.26 mm、11.25 cm,与对照相比增幅超过或接近90%,YD处理与YX处理的3项指标高于对照48.87%~70.59%。进行接种处理的苗木均能成功接根瘤,而对照根系未见根瘤(图1A);不同接种处理的结瘤数差异较明显,数量以YZ最多,YD和YX的结瘤数量相当,3个处理的根瘤鲜质量相差并不大。
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对不同试验处理苗木的地上部分生物量和地下部分生物量分析,结果(图2)表明,接种处理的地上部鲜质量、地上部干质量、根鲜质量、根干质量及总鲜质量、总干质量等均显著地高于对照(p <0.05)。其中,地上部分鲜质量和干质量分别比对照增加4.4~7.7倍和5.5~9.3倍,地下部分鲜质量和干质量分别比对照增加了4.6~10.5倍和12.0~21.0倍;3个接种处理间的根干质量差异不显著(p >0.05),YZ处理的生物量积累大于YD和YX处理。
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对不同试验处理南洋楹苗木的光合及固氮效应相关指标测定分析,结果(图3)表明,不同接种处理的南洋楹苗木的相对叶绿素含量(SPAD)、总氮量、固氮效益均显著地高于对照(p<0.05),含氮量和固氮量与对照差异显著(p<0.05)。YZ、YD、YX处理与CK相比,SPAD分别增长了86.18%、78.53%和74.04%,但3个接种处理间的SPAD值差异不显著;含氮量分别增长了53.50%、28.25%和23.09%;总氮量分别增加了15.9、10.1、7.6倍;固氮效益分别增长了26.51%、11.48%和12.85%,3个接种处理间无显著差异。
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图4、表1中展示了接种YZ、YD、YX处理后分别从对应苗木根系上收获的根瘤内生菌种水平的相对丰度数据。结果表明,接种不同来源的根瘤提取液能够形成不同的根瘤内生菌群落。其中,YZ处理的根瘤内10种细菌的相对丰度最为均衡,细菌Cenchrus americanus相对丰度最高,为12.12%,其次为敏捷生丝微菌(Hyphomicrobium facile) 和埃氏慢生根瘤菌(Bradyrhizobium elkanii) ,相对丰度分别为9.94%和7.66%。YD处理的根瘤内,细菌Cenchrus americanus、埃氏慢生根瘤菌(Bradyrhizobium elkanii)、敏捷生丝微菌(Hyphomicrobium facile)处于主体地位,相对丰度分别为16.74%、8.28%和21.08%,仅这3种细菌的相对丰度几乎达到全部细菌的50%;YX处理的根瘤内丰度最大的3种内生菌与YD处理相同,其中埃氏慢生根瘤菌(Bradyrhizobium elkanii)相对丰度达22.41%;此外,YX中还含有3.5%的根瘤菌(Rhizobium azooxidifex),含根瘤菌最为丰富。YZ与YD处理的埃氏慢生根瘤菌(Bradyrhizobium elkanii)相对丰度比较接近,分别为7.66%和8.28%。YZ、YD、YX处理的根瘤的OTU数分别为234、206、191依次递减,YZ处理的根瘤内香农指数分别为5.54、4.83、4.61,也呈现依次递减的趋势。
项目 Items YZ YD YX 细菌占比
Proportion of bacteria/%Cenchrus americanus 12.12 16.74 18.79 埃氏慢生根瘤菌 Bradyrhizobium elkanii 7.66 8.28 22.41 敏捷生丝微菌 Hyphomicrobium facile 9.94 21.08 5.87 Ⅱ型甲烷氧化菌 Methylocella sp. 5.73 5.58 1.35 Pelomonas puraquae 1.10 3.74 6.36 慢生根瘤菌 Bradyrhizobium jicamae 2.70 3.39 1.55 反硝化Fe-Ⅱ氧化细菌 denitrifying Fe-II oxidizing bacterium 5.80 1.19 0.04 玫瑰华美单胞菌 Armatimonas rosea 2.99 0.78 2.08 人参菌毛菌 Fimbriimonas ginsengisoli 2.82 1.35 0.77 根瘤菌 Rhizobium azooxidifex 0.35 0.53 3.50 相对丰度前三细菌之和 Sum of the top-three bacteria in relative abundance 29.73 46.12 47.57 OTU数 OTU number 234 206 191 香农指数 Shannon index 5.54 4.83 4.61 Table 1. The proportion and diversity index of the top 10 bacteria in relative abundance at species level of nodules amomg different treatments
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对南洋楹苗木生长与结瘤、生物量积累、光合及固氮等相关指标进行主成分分析,结果(表2)表明,两个主成分即PC1、PC2分别解释总变异的77.14%、15.29%,二者累积贡献率达92.43%。其中第一主成分(PC1)主要由苗高、根长、根瘤数、总氮量和固氮量决定,均为正相关;第2主成分(PC2)主要由SPAD决定,载荷量为0.728 0,且表现正相关。因此,以苗高、根长、根瘤数、SPAD、总氮量和固氮量等指标来表征南洋楹苗木的综合情况。
指标 Index 主成分1 PC1 主成分2 PC2 苗高 Height 0.117 4 −0.003 3 根长 Root length 0.127 6 0.187 1 相对叶绿素含量 SPAD 0.326 1 0.728 0 含氮量 b 0.222 8 0.162 0 根瘤数 Nodules number 0.502 6 −0.638 2 总氮量 M 0.523 2 0.020 9 固氮量 N 0.523 1 0.020 9 特征值 Eigenvalue 218.993 97 43.408 45 贡献率 Variance/% 77.14 15.29 累计贡献率 Cumulative rate/% 77.14 92.43 Table 2. The eigenvalue,proportion,cumulative and eigenvectors of the principal component factors (growth index) of Falcataria falcata growth index
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选取各样品中相对丰度前五的7种根瘤内生菌(表1),和提取到的7个主成分(表2)进行相关性分析,结果(图5)表明:内生菌Cenchrus americanus、Pelomonas puraquae都与南洋楹苗高和根瘤数呈极显著负相关关系(p<0.01);细菌denitrifying Fe-II oxidizing bacterium与苗高、根瘤数呈极显著正相关(p<0.01),与含氮量、总氮量和固氮量呈显著正相关关系(p<0.05);OTU数和香农指数均与苗高和根瘤数呈极显著正相关关系(p<0.01),且香农指数还与含氮量、总氮量和固氮量呈显著相关关系(p<0.05)。
Effect of Endophytic Bacteria on Seedling Growth of Falcataria falcata
- Received Date: 2023-06-30
- Accepted Date: 2024-01-15
- Available Online: 2024-04-27
Abstract: