沙蓬（ Agriophyllum squarrosum ）根际固氮菌群落结构特征

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2024.00031

摘要/Abstract

摘要：

为了解固沙先锋植物沙蓬不同发育阶段根际固氮菌群落结构特征，以库布齐沙漠幼苗期、营养生长期、生殖生长期和立枯期沙蓬根际土壤为研究对象，通过高通量测序分析不同发育阶段固氮菌群落组成和多样性，通过冗余分析分析固氮菌群落与土壤养分的相关性。结果表明：β-变形菌纲和广泛固氮氢自养单胞菌属为沙蓬根际的主要固氮菌类群，具有生长迅速和自养的特点，丰度分别为44.30%~90.51%和35.05%~72.89%。沙蓬不同发育阶段根际固氮菌群落具有显著性差异，属水平的差异固氮菌分别为广泛固氮氢自养单胞菌属、斯克尔曼氏菌属和慢生根瘤菌属。营养生长期，与有机质、中性磷酸酶和中性蛋白酶活性呈显著正相关的斯克尔曼氏菌属明显高于幼苗期（2.76倍）、生殖生长期（4.22倍）和立枯期（3.13倍）；生殖生长期，与有机质、中性磷酸酶、速效磷和过氧化氢酶活性呈显著负相关的慢生根瘤菌属明显高于幼苗期（3.56倍）和立枯期（8.58倍），在营养生长期未出现。幼苗期和营养生长期参与碳循环的有机质和蔗糖酶活性显著升高，参与氮循环的速效氮、脲酶和中性蛋白酶活性显著升高，生殖生长期根际养分显著下降。综上，沙蓬不同发育阶段根际固氮菌群落具有显著差异，幼苗期和营养生长期的固氮菌以蓄积碳、氮源为主，生殖生长期以消耗养分为主，促进了根际固氮菌营养竞争性演替，为沙地、沙漠固沙先锋植物种群恢复以及沙产业氮肥施用措施提供理论基础。

关键词: 沙蓬, 发育阶段, 固氮菌, 演替, 酶活性

Abstract:

In order to understand the community structure of rhizosphere diazotrophs at different developmental stages of sand-fixing pioneer plant Agriophyllum squarrosum， the rhizosphere soil at seedling stage， vegetative stage， reproductive stage and withering stage in Hobq Desert was taken as the research object. The composition and diversity of diazotrophs community at different developmental stages were analyzed by high-throughput sequencing， and the correlation between diazotrophs community and soil nutrients was analyzed by redundancy. The results showed that β-Proteobacteria and Azohydromonas were the main diazotrophs groups in the rhizosphere of A. squarrosum， which have the characteristics of rapid growth and autotroph， with abundance ranging from 44.30% to 90.51% and 35.05% to 72.89%， respectively. There were significant differences in rhizosphere diazotrophs communities at different developmental stages， the different diazotrophs species were Azohydromonas， Skermanella and Bradyrhizobium at genus level. In the vegetative stage， the relative abundance of Skermanella positively correlated with organic matter， neutral phosphatase activities and neutral protease activities was significantly higher than that in seedling stage （2.76 times）， reproductive stage （4.22 times） and withering stage （3.13 times）. In the reproductive stage， the relative abundance of Bradyrhizobium negatively correlated with organic matter， neutral phosphatase activities， available phosphorus and catalase activities was significantly higher than that in seedling stage （3.56 times） and withering stage （8.58 times）， and did not appear in the vegetative stage. Organic matter， sucrase activities involved in carbon cycle and available nitrogen， urease， neutral protease involved in nitrogen cycle were significantly increased at the seedling and the vegetative stages， rhizosphere nutrients decreased significantly during the reproductive stage. In conclusion， the rhizosphere diazotrophs communities of A. squarrosum had significant differences at different developmental stages. Diazotrophs in seedling stage and vegetative stage of A. squarrosum mainly accumulated carbon and nitrogen sources， and the reproductive stage mainly consumed nutrients， which promoted the nutritive competitive succession of rhizosphere diazotrophs， this study provides a theoretical basis for the restoration of pioneer plant population and the application of nitrogen fertilizer in sand industry.

Key words: Agriophyllum squarrosum, developmental stage, diazotrophs, succession, enzyme activity

中图分类号:

Q938

张胜男, 杨杉杉, 高海燕, 张雷, 闫德仁, 魏一凡. 沙蓬（ Agriophyllum squarrosum ）根际固氮菌群落结构特征[J]. 中国沙漠, 2024, 44(4): 174-183.

Shengnan Zhang, Shanshan Yang, Haiyan Gao, Lei Zhang, Deren Yan, Yifan Wei. Dynamic characteristics of diazotrophs community in the rhizosphere of Agriophyllum squarrosum[J]. Journal of Desert Research, 2024, 44(4): 174-183.

图/表 10

表1 不同作物必需氨基酸含量（单位：mg·g-1 ）［5-6］

Table 1 Comparison of essential amino acid of different crops（unit：mg·g-1 ）［5-6］

必需氨基酸	沙蓬	藜麦	大豆	水稻	小麦
组氨酸	18.1	24.5	27.6	—	—
异亮氨酸	40.3	31.0	44.5	40.0	36.0
亮氨酸	75.0	60.0	72.0	82.0	68.0
赖氨酸	75.6	47.0	57.8	40.0	25.0
含硫氨基酸	72.0	36.0	28.9	239.0	43.0
芳香族氨基酸	95.0	61.0	84.8	103.0	80.0
苏氨酸	34.0	30.0	38.6	35.0	29.0
色氨酸	11.0	11.0	12.0	17.0	13.0
缬氨酸	57.0	42.0	57.1	58.0	42.0

图1 沙蓬不同发育阶段形态

Fig.1 Morphology of Agriophyllum squarrosum at different developmental stages

表2 沙蓬根际土壤养分特征

Table 2 Characteristics of nutrients in the rhizosphere soil of Agriophyllum squarrosum

土壤养分	发育阶段
土壤养分	幼苗期M	营养生长期Y	生殖生长期S	立枯期L
有机质/（g·kg^-1）	1.86±0.13^ab	2.09±0.18^a	1.62±0.14^b	1.68±0.04^b
速效氮/（mg·kg^-1）	11.33±0.98^b	13.17±0.39^a	7.21±0.54^d	10.11±0.04^c
速效磷/（mg·kg^-1）	35.77±2.21^c	48.48±2.79^b	33.33±0.47^c	65.65±5.16^a
速效钾/（mg·kg^-1）	162.36±5.60^b	155.55±0.14^b	85.28±8.20^c	238.13±3.95^a
蔗糖酶/（mg·d^-1·g^-1）	1.52±0.06^a	1.01±0.07^b	0.81±0.09^c	1.08±0.07^b
脲酶/（μg·d^-1·g^-1）	156.54±1.17^a	161.95±7.02^a	105.84±2.34^c	139.30±2.55^b
中性蛋白酶/（μg·d^-1·g^-1）	16.75±4.72^b	38.33±2.92^a	17.80±0.90^b	2.97±0.45^c
中性磷酸酶/（mg·d^-1·g^-1）	223.54±18.23^ab	236.01±28.78^a	172.69±1.92^c	187.08±0.96^bc
过氧化氢酶/（mg·d^-1·g^-1）	28.90±1.30^a	29.80±0.44^a	26.59±0.21^b	30.56±1.31^a

图2 固氮菌群落多样性指数注：相同小写字母表示差异不显著，P>0.05

Fig.2 Diversity indices of diazotrophs communities

图3 固氮菌群落主坐标分析

Fig.3 Principal co-ordinates analysis （PCoA） of diazotrophs communities

图4 固氮菌群落纲水平相对丰度

Fig.4 Relative abundance of diazotrophs communities at class level

图5 固氮菌群落属水平相对丰度

Fig.5 Relative abundance of diazotrophs communities at genus level

图6 不同发育阶段根际固氮菌差异显著性检验?表示P≤0.05，??表示P≤0.01，???表示≤0.001

Fig.6 Kruskal-Wallis test of rhizosphere diazotrophs in different developmental stages

图7 固氮菌群落结构与土壤因子之间的相关性

Fig.7 Correlation between diazotrophs community structure and soil factors

图8 固氮菌群落与土壤环境因子的斯皮尔曼相关系数注：?表示P≤0.05，??表示P≤0.01，??? 表示≤0.001

Fig.8 Spearman correlation coefficient between diazotrophs communities and environmental factors

参考文献 31

1	Cui J Y， Li Y L， Zhao H L，et al.Comparison of seed germination of Agriophyllum squarrosum （L.） Moq. and Artemisia halodendron Turcz.，two dominant species of Horqin Desert，China［J］.Arid Land Research and Management，2007，21（3）：165-179.
2	Chen G X， Zhao J C， Zhao X，et al.A psammophyte Agriophyllum squarrosum （L.） Moq.：a potential food crop［J］.Genetic Resources and Crop Evolution，2014，61：669-676.
3	赵杰才，赵鹏善，赵昕，等.沙米（Agriophyllum squarrosum）生物学特性、营养价值及驯化可行性［J］.中国沙漠，2016，36（3）：636-643.
4	孙洪斌，刘洪元，宫雪鸿，等.沙蓬籽蛋白质营养价值研究［J］.包头医学院学报，1995，11（3）：12-14.
5	彭菁.沙米蛋白和淀粉的理化性质研究及应用［D］.南京：南京农业大学，2017.
6	赵鹏善，冉瑞兰，李晓凤，等.流动沙丘先锋植物沙蓬遗传驯化和栽培品系选育进展［J］.中国科学：生命科学，2023，53（4）：505-518.
7	Trivedi P， Leach J E， Tringe S G，et al.Plant microbiome interactions： from community assembly to plant health［J］.Nature Reviews Microbiology，2020，18（11）：607-621.
8	Xiong W， Song Y Q， Yang K M，et al.Rhizosphere protists are key determinants of plant health［J］.Microbiome，2020，8：27.
9	Shi S J， Nuccio E， Herman D J，et al.Successional trajectories of rhizosphere bacterial communities over［J］.American Society for Microbiolgy，2015，6（4）：e00746-15.
10	Li X Z， Rui J P， Mao Y J，et al.Dynamics of the bacterial community structure in the rhizosphere of a maize cultivar［J］.Soil Biology and Biochemistry，2014，68：392-401.
11	Santoyo G.How plants recruit their microbiome？New insights into beneficial interactions［J］.Journal of Advanced Research，2021，40：45-58.
12	Song Y， Wilson A J， Zhang X C，et al.FERONIA restricts Pseudomonas in the rhizosphere microbiome via regulation of reactive oxygen species［J］.Nature Plants，2021，7（5）：644-654.
13	Vives-Peris V， De Ollas C， Gómez-Cadenas A，et al.Root exudates： from plant to rhizosphere and beyond［J］.Plant Cell Reports，2020，39：3-17.
14	Chaparro J M， Badri D V， Vivanco J M.Rhizosphere microbiome assemblage is affected by plant development［J］.The ISME Journal，2014，8：790-803.
15	Rudrappa T， Czymmek K J， Pare P W，et al.Root-secreted malic acid recruits beneficial soil bacteria［J］.Plant Physiology，2008，148（3）：1547-1556.
16	Ma Z， Yi Z H， Bayar K，et al.Community dynamics in rhizosphere microorganisms at different development stages of wheat growing in confined isolation environments［J］.Applied Microbiology and Biotechnology，2021，105：3843-3857.
17	李剑锋，张淑卿，郭金梅.固沙先锋植物沙蓬与其内生固氮菌共生固氮及协同适应性研究［G］//2017年中国草学会年会论文集.2017：337.
18	鲍士旦.土壤农化分析［M］.北京：中国农业出版社，2008.
19	Delmont T O， Quince C， Shaiber A，et al.Nitrogen-fixing populations of Planctomycetes and Proteobacteria are abundant in surface ocean metagenomes［J］.Nature Microbiology，2018，3（7）：804-813.
20	Dai Z， Su W， Chen H，et al.Long‐term nitrogen fertilization decreases bacterial diversity and favors the growth of Actinobacteria and Proteobacteria in agro‐ecosystems across the globe［J］.Global Change Biology，2018，24（8）：3452-3461.
21	魏庐潞，徐婷婷，李媛媛，等.同质园环境和遗传分化影响锦鸡儿属植物根际土壤固氮菌多样性和群落结构［J］.生物多样性，2023，31（4）：22477.
22	史策，聂立水，魏一凡，等.北京海坨山典型林分土壤固氮菌群落特征研究［J］.林业科学研究，2022，35（4）：153-161.
23	陈龙池，廖利平，汪思龙，等.根系分泌物生态学研究［J］.生态学杂志，2022，21（6）：57-62.
24	李巧玲，韩凤，曹然，等.箭叶淫羊藿不同时期根际微生物群落组成及其与有效成分累积的相关性分析［J］.中草药，2023，54（2）：641-651.
25	Zhu W， Huang J， Li M，et al.Genomic analysis of Skermanella stibiiresistens type strain SB22T［J］.Standards in Genomic Sciences，2014，9（3）：1211-1220.
26	Taylor B N， Chazdon R L， Menge D N.Successional dynamics of nitrogen fixation and forest growth in regenerating Costa Rican rainforests［J］.Ecology，2019，100（4）：e02637.
27	于艳霞，佀再勇，曾小波，等.华癸中慢生根瘤菌7653R MCHK-3535基因在自生和与紫云英共生中的功能［J］.微生物学报，2019，59（3）：499-509.
28	Terakado-Tonooka J， Fujihara S， Ohwaki Y.Possible contribution of Bradyrhizobium on nitrogen fixation in sweet potatoes［J］.Plant and Soil，2013，367：639-650.
29	钱明媚，肖永良，彭文涛，等.免耕水稻土固定CO₂自养微生物多样性［J］.中国环境科学，2015，35（12）：3754-3761.
30	Ronald B M， Jane B E.Multiple Rubisco forms in proteobacteria： their functional significance in relation to CO₂ acquisition by the CBB cycle［J］.Journal of Experimental Botany，2008（7）：1525-1541.
31	韩丽珍，刘畅，周静.接种促生菌对花生根际土壤微生物及营养元素的影响［J］.基因组学与应用生物学，2019，38（7）：3065-3073.

[1]	万雨晨, 刘彦平, 吴永胜, 贾鸿飞, 张甜, 高艳红, 杨昊天, 尤万学, 杜军, 贾荣亮. 腾格里沙漠人工固沙植被区藓类植物形态演变特征[J]. 中国沙漠, 2024, 44(3): 298-307.
[2]	焦冰洁, 张丙昌, 赵康, 闫丽霞, 武志芳. 生物结皮演替对黄土高原水蚀风蚀交错区土壤氮素转化及微生物活性的促进效应[J]. 中国沙漠, 2023, 43(4): 191-199.
[3]	王融融, 樊瑾, 丛士翔, 余海龙, 黄菊莹. 毛乌素沙地火电厂周边不同类型生物结皮酶活性及其影响因素[J]. 中国沙漠, 2023, 43(4): 209-219.
[4]	陶海璇, 郭春秀, 马俊梅, 王忠文, 赵赫然, 宋达成, 何芳兰. 干旱沙区土壤结皮发育对草本植物土壤种子库的影响[J]. 中国沙漠, 2023, 43(4): 89-97.
[5]	张胜男, 高海燕, 闫德仁, 黄海广. 沙漠生物土壤结皮演替对微生物群落结构和土壤酶活力的影响[J]. 中国沙漠, 2023, 43(3): 178-187.
[6]	孙红, 段霁芸, 刘雨洁, 冉瑞兰, 李晓凤, 赵鹏善. 气候变化背景下沙蓬属（ *Agriophyllum* ）物种潜在地理分布[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 255-263.
[7]	贾鸿飞, 贾荣亮, 吴秀丽, 赵芸, 刘立超, 高艳红, 杨昊天, 张甜. 干旱沙区生物结皮对土壤膨胀的影响[J]. 中国沙漠, 2023, 43(2): 28-36.
[8]	翟军团, 陈向向, 李秀, 张山河, 韩晓莉, 李志军. 胡杨（ *Populus euphratica* ）枝叶异速生长关系随发育阶段及冠层高度变化的性别差异[J]. 中国沙漠, 2023, 43(1): 116-127.
[9]	王怀海, 黄文达, 何远政, 牛亚毅, 朱远忠. 短期增温和降水减少对沙质草地土壤微生物量碳氮和酶活性的影响[J]. 中国沙漠, 2022, 42(3): 274-281.
[10]	张甜, 贾荣亮, 高艳红, 孙靖尧, 赵芸, 刘立超. 沙坡头人工固沙植被演替过程中主要结皮生物生态位和种间关联变化特征[J]. 中国沙漠, 2021, 41(4): 100-108.
[11]	樊瑾, 李诗瑶, 余海龙, 黄菊莹. 毛乌素沙地不同类型生物结皮与下层土壤酶活性及土壤碳氮磷化学计量特征[J]. 中国沙漠, 2021, 41(4): 109-120.
[12]	苏天燕, 刘子涵, 丛安琪, 毛伟, 杨秋. 地下水埋深对半干旱区典型植物群落土壤酶活性的影响[J]. 中国沙漠, 2021, 41(4): 185-194.
[13]	邢学刚, 颜长珍, 逯军峰, 翟晓慧, 贾浩巍, 谢家丽. 青海高寒草甸退化演替中的植被指数[J]. 中国沙漠, 2021, 41(3): 203-213.
[14]	张浩玮, 白小明, 陈辉, 樊敬辉, 李雄亮, 连亚红, 孙敏. 草地早熟禾(Poa pratensis) N积累、分配和硝酸还原酶活性对氮、磷肥的响应[J]. 中国沙漠, 2019, 39(5): 222-231.
[15]	刘艳梅, 杨航宇, 贾荣亮, 李宜轩. 人为踩踏生物土壤结皮对土壤酶活性的影响[J]. 中国沙漠, 2019, 39(4): 54-63.