植物根际微生物组的研究进展

根际微生物组(rhizosphere microbiome),是植物从其种子库土壤微生物组中有选择性地招募在根际聚集的动态微生物集群.随着近年来高通量测序技术、宏基因组学等的飞速发展,根际微生物组与植物宿主及土壤微生物组间的紧密联系引起了全球关注和研究热潮.根际微生物组被视作植物第二基因组,其与植物间的互作极为复杂,有...     

烟草根系分泌物酚酸类物质的鉴定及其对根际微生物的影响

【目的】烟草连作已导致土传病害发生、 烟株生长受抑制、 产量下降和品质恶化等问题。烟株对自身及土壤微生物产生的化感作用,是烟草产生连作障碍的一个重要原因,其中化感物质中的根系分泌物是烟株与土壤微生物间相互作用的重要物质,探索烟草根系分泌物对根际微生物生长的影响是生物防控烟草青枯病的理论依据。【方法】本文利用超高效液相色谱串联四级杆飞行时间质谱(UPLC-Q-TOF/MS)技术,分离、 鉴定烟草根系分泌物中主要酚酸类物质的种类和含量; 通过添加外源酚酸类物质,研究在液体培养基中烟草根系分泌物中的主要酚酸类物质对病原菌及拮抗菌的影响,并在土壤中添加鉴定出的主要酚酸类物质; 通过土壤培育试验,研究其对土壤微生物多样性和数量变化,特别是对烟草青枯病菌及其拮抗菌生长的影响。【结果】1)烟草根系分泌物粗提物对病原菌(茄科劳尔氏菌)生长的促进率为16.8％,对拮抗菌(短短芽孢杆菌)的生长抑制率达到29.4％; 2)UPLC-Q-TOF/MS检测根系分泌物中主要酚酸类物质为苯甲酸和3-苯丙酸,含量分别为0.25 μg/g干根重和1.15 μg/g干根重; 3)液体培养外源添加低浓度的苯甲酸(≤ 2 μg/L)和3-苯丙酸(≤ 3 μg/L)促进病原菌和拮抗菌的生长; 4 μg/L的苯甲酸对病原菌生长抑制作用不显著,对拮抗菌生长的抑制率达到90.2％,6 μg/L的 3-苯丙酸对病原菌的生长具有促进作用,对拮抗菌的生长抑制率达到81.1％,外源高浓度苯甲酸(≥4 μg/L)和3-苯丙酸(≥ 7 μg/L)抑制病原菌与拮抗菌的成长; 4)土壤中添加3 μg/kg土的苯甲酸时,土壤中病原菌的数量增加12.3％,而拮抗菌的数量减少21.0％,土壤细菌、 放线菌和真菌的数量分别降低37.5％,41.9％和55.6％; 3-苯丙酸浓度达到8 μg/kg土时,拮抗菌生长量减少14.5％,对病原菌没有显著影响,土壤细菌、 放线菌和真菌的数量分别降低69.9％,57.2％和80.7％; 5)土壤添加4 μg/kg的苯甲酸和7 μg/kg的3-苯丙酸后,土壤微生物Shannon指数、 Simpson指数、 McIntosh指数显著下降,分别仅为对照的57.7％、 94.1％、 88.1％和97.6％ 73.3％、 80.0％。【结论】烟草根系分泌物粗提物促进病原菌生长抑制拮抗菌生长,根系分泌物中酚酸类物质主要为苯甲酸和3-苯丙酸,液体培养中4 μg/L的苯甲酸或6 μg/L的 3-苯丙酸浓度是对病原菌生长抑制不明显但显著抑制拮抗菌生长的分界点,土壤外源添加3 μg/kg的苯甲酸或8 μg/kg的3-苯丙酸时,是土壤增加病原菌减少拮抗菌数量的分界点,同时土壤微生物功能多样性显著下降,病原菌对根系分泌物中苯甲酸和3-苯丙酸的利用优于拮抗菌,这也是烟草长期连作引起青枯病暴发流行的机理之一。     

豆科禾本科作物间作的根际生物过程研究进展

间作作为一种可持续发展的种植模式不仅具有产量和养分获取的优势,而且能够保证粮食安全、降低作物减产风险。在众多间作组合中,豆科禾本科作物间作由于种间促进及生态位互补作用,而在世界范围内被广泛应用。根际是作物-土壤-微生物相互作用的界面,是养分、水分及有害物质从土壤进入作物系统参与食物链物质循环的必经门户,在根际中所发生的生物过程不仅决定着养分的供应量和有效性,而且也影响着作物的生产力和养分利用效率。因此,本文从豆科禾本科间作的根际生物过程角度出发,综述了豆科禾本科间作对根系形态、根际微生物、根系分泌物及其生态效应的研究进展,为豆科禾本科间作体系在修复重金属污染土壤、提高土壤中养分有效性以及植物遗传改良等方面的应用提供理论依据。     

微生物在植物铁营养中的潜在作用

根据近十多年来相关研究成果讨论了土壤微生物在植物根系吸收铁中可能的作用机理。这种机理可能包括缺铁植物根系分泌小分子有机化合物,如酚类和黄素类等化合物,这些化合物作为抑菌剂和(或)作为微生物生长的碳源物质来影响根际(Rhizosphere)微生物的群落结构,并在植物根际诱导形成特异性微生物种群,此类特异性微生物转而通过分泌高铁载体(Siderophore),增加土壤中铁的生物有效性,从而提高了根系对铁的吸收。此外,与植物根系共生的一些微生物也会改善植物的铁营养,这种作用可能包括:根瘤菌(Rhizobium)的结瘤作用,增强植物耐缺铁的生理响应;根系感染的菌根真菌通过增加植物根系的养分吸收面积和分泌对铁具有螯合作用的物质来改善植物的铁营养。本文在讨论这种可能的微生物作用机制的基础上,指出今后的研究方向和有待解决的问题。     

玉米根鞘改变土壤粒径及养分有效性

Root exudates,microorganism colonization and soil aggregates together form the rhizosheath,a special cylinder of micro-ecosystem adhering to the root surface.To study how the rhizosheath affects soil structure and nutrient distribution,we analyzed the impact of maize rhizosheath on soil particle size and nutrient availability in pot and field experiments.The results showed that there was a significant size decrease of soil particles in the rhizosheath.Meanwhile,the soil mineral nitrogen in the rhizosheath was significantly higher than that in the rhizosphere or bulk soil at tasseling and maturity stages of maize.The contents of Fe and Mn were also differentially altered in the rhizosheath.Rhizosheath development,indicated by a dry weight ratio of rhizosheath soil to the root,was relatively independent of root development during the whole experimental period.The formation of maize rhizosheath contributed to the modulation of soil particle size and nutrient availability.The subtle local changes of soil physical and chemical properties may have profound influence on soil formation,rhizospheric ecosystem initiation,and mineral nutrient mobilization over the long history of plant evolution and domestication.     

Root Exudates of Rice Cultivars Affect Rhizospheric Phosphorus Dynamics in Soils with Different Phosphorus Statuses

Exudation of organic acids by the roots of three rice cultivars grown in three soils of different phosphorus (P) statuses, and their impacts on the rhizospheric P dynamics and P uptake by the rice plants, were investigated. Quantum root exudates from all the rice cultivars were significantly greater at 21 days after transplantation than at panicle initiation or flowering stages. Malic acid was the most predominant organic acid present in the rice root exudates (10.3 to 89.5 μmol plant^?1 d^?1), followed by tartaric, citric, and acetic acids. Greater exudation of organic acids from rice grown in P-deficient soil by all the rice cultivars suggested response of rice plant to P stress. Results indicate that the release of organic acids in the root exudates of rice plants can extract P from strongly adsorbed soil P fraction, thereby increasing native soil P utilization efficiency and ensuring adequate P nutrition for the growing rice plants.     

根际对话及其对植物生长的影响

有了根际,也就有了根际对话。根际对话是发生在根际土壤中各种生物间,包括植物根系之间以及根系与土壤生物（细菌、真菌和土壤动物）之间的相互作用－即根际生物间的物质和能量交换以及信息传递。根系分泌物在根际对话中起着“语言”的作用。在根际对话中,植物起主导作用,对话的结果会对植物生长产生影响。根际生物之间相互作用的实质是对生长空间、水分和养分等资源的竞争。与根际研究相比,有意识地研究根际对话及其对植物生长影响才刚刚开始。研究方法和手段的局限性成为揭示根际对话机制的瓶颈。本文综述近年来国际上在根际对话及其对植物生长影响方面的研究进展和动态,期望我国在根际对话的基础和应用研究领域能够得到快速发展。     

不同磷供应水平下小麦根系形态及根际过程的变化特征

以石麦15和衡观35两个品种小麦为试验材料,应用根袋栽培方式,研究了不同施磷量对小麦根系形态和根际特征的影响。结果表明,与施磷量P2O5 0.1 g/kg相比,高量供磷（P2O5 0.3 g/kg）条件下石麦15地上部生物量和磷累积量增加幅度大于衡观35;但不施磷处理衡观35地上部生物量降低幅度小于石麦15,磷含量和累积量高于石麦15,衡观35耐低磷能力较强。土壤供磷不足时,衡观35总根长中直径0.16 mm细根所占比例高于石麦15,根系平均直径较小;而高磷供应下,石麦15根系中直径0.16 mm细根长度较长,在总根长中所占比例较高。总根长和直径0.16 mm的细根长度与植株地上部磷累积量之间呈显著正相关关系。总根长越长尤其是细根越多,有利于促进植株对磷的吸收。与非根际土壤相比,高磷供应下根际土壤有机磷含量增加,微生物量磷含量降低;而供磷不足时根际土壤碱性磷酸酶活性较高,有机磷含量较低。与施磷量P2O5 0.1 g/kg相比,高量供磷下根际土壤pH值升高、碱性磷酸酶活性下降,不施磷处理根际土壤pH值降低。本研究表明,供磷不足时,小麦根系形态和根际过程均发生适应性变化,而高量供磷条件下,小麦植株根系形态的改变因品种而异。     

玉米细根形成和土壤中无机磷分级平衡对缺磷的特异性响应

Plants have diverse strategies to cope with phosphorus (P) deficiency. To better understand how maize responds to P deficiency, a field experiment with two P levels, 0 and 100 kg P2O5 ha-1 (P0 and P100, respectively), was carried out as a part of a long-term Pfertilizer field trial. Plant and soil analyses showed that P-deficient maize reduced its growth rate, increased P use efficiency, and formed more thin roots with the diameter less than 0.6 mm at jointing and silking stages, compared to the plants treated with P100. Further, there were no differences in major inorganic P fractions (Ca 2 -P, Ca 8 -P, Al-P, Fe-P, occluded P and Ca 10 -P) between the rhizospheric and bulk soils at each harvest, even when soil Olsen-P was only 1.38 mg kg-1 . These results suggested that maize responded to P deficiency by reducing the internal P demand for growth and increasing P acquisition ability by favorable root morphological alteration at low carbon cost.     

长期轮作与施肥对农田土壤磷素形态和吸持特性的影响

通过对黄土旱塬地区长期定位施肥(26a)条件下的不同轮作系统的土壤磷素形态和吸持参数的测定,研究了轮作和施肥对土壤磷素吸持特性和磷素形态的影响,以及土壤磷素吸持参数与磷素形态之间的关系。结果表明,长期轮作与施肥都可以减低土壤磷素的最大吸附量（Qm）,相对于其它轮作和连作,在氮磷（NP）施肥下,小麦-玉米-豌豆轮作可以减低土壤的Qm,在氮磷有机肥（NPM）施肥下,小麦-玉米轮作可以减低土壤的Qm。在施肥相同的条件下,小麦-玉米轮作和小麦-豌豆轮作可以显著增加土壤中各形态无机磷的含量,长期轮作比连作可以增加土壤中的有效磷养分,尤其对Ca2-P的提高效果更为显著。相关分析表明,Qm和磷吸持指数（PSI）与全磷（T-P）、Olsen-P、CaCl2-P、Ca2-P、Ca8-P、Fe-P、Ca10-P和有机磷呈极显著负相关（p＜0.01）,与闭蓄态磷（O-P）呈显著负相关（p＜0.05）,与Al-P关系不显著。土壤有机质（SOM）与Qm、PSI和磷最大缓冲能力（MBC）之间存在极显著负相关关系,与磷吸持饱和度（DPSS）存在显著正相关。通径系数和逐步回归分析表明,在石灰性黑垆土土壤的无机磷形态中,Ca2-P对Olsen-P的贡献最大。     

低分子量根系分泌物对土壤微生物活性及团聚体稳定性的影响

以黑土为供试土壤,采用化学试剂模拟根系分泌物进行室内培养试验,研究低分子量根系分泌物及主要组分对土壤微生物活性及团聚体稳定性的影响.结果显示,与对照相比,低分子量根系分泌物及主要组分短期内均显著提高了土壤微生物的活性,促进了>250μm大团聚体,尤其是>2 000μm团聚体的形成,显著增强了土壤团聚体的稳定性.低分子量根系分泌物中葡萄糖组分有利于土壤中细菌的生长,从而在细菌活动的驱动下,促进了微团聚体的形成;苹果酸和谷氨酸组分则有利于真菌的生长和繁殖,在真菌菌丝网络的缠绕和牯结作用下,促使微团聚体进一步胶结形成大团聚体.因此,低分子量根系分泌物中各主要组分共同参与并影响土壤的团聚化过程,改善根际微区土壤的结构,以利于植物根系的生长.     

长期定位试验条件下的水稻田土壤有机质含量变化研究

依托湖北武汉、重庆北碚、湖南望城、湖南祁阳、江西南昌、浙江杭州6个水稻土壤肥力长期定位试验历史样品及数据,分析和讨论了土壤有机质含量变化趋势及对施化肥和有机肥的响应差异。施有机肥提升土壤有机质含量显著高于施化肥的效果。施化肥NPK处理,6个试验点土壤有机质含量都呈现提升趋势;但是,有机质平均年增量、有机质累计增量与累计有机肥施用量的比值都是逐年下降的,固定施肥方法提高土壤有机质含量是有限的,最高达到平衡点,施化肥的有机质含量的平衡点低于施有机肥的,土壤有机质含量提升不仅对施有机肥有响应,而且与累积产量也有一定的相关关系。     

植物根系活性对菲浓度的响应——以栾树、樟树为例

[目的]分析栾树、樟树根系分泌物在菲胁迫下的变化特征,为筛选抗多环芳烃污染树种,进一步开展植物修复多环芳烃污染提供科学依据。[方法]设置3种菲处理浓度[L_0(CK, 0 mg/kg);L_1(100 mg/kg);L_2(1 000 mg/kg)],通过盆栽试验的方法,对栾树、樟树的根系分泌物中总有机碳(TOC)、全碳(TC)、全氮(TN)含量及根系活性进行测定。[结果]①随着菲浓度的升高,栾树与樟树根系分泌物中TOC与TC含量均呈下降趋势,TN含量则呈先升后降的趋势;②随着菲浓度的升高,栾树和樟树根系的总吸收面积和活跃吸收面积总体呈下降趋势;③3个处理水平下,栾树根系分泌物中TC,TOC,TN含量均高于樟树,且栾树根系总吸收面积和活跃吸收面积也高于樟树。[结论]通过菲胁迫下栾树与樟树根系分泌量和根系活性的比较,表明栾树相较于樟树对菲具有更好的耐受性。