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土壤盐渍化作为世界环境难题之一,严重制约着农林业的发展。刺槐(Robinia pseudoacacia)是盐碱地的造林树种之一,其耐盐性机制的研究对盐碱地的改良与利用具有重要意义。目前,丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)对刺槐耐盐性机制的研究多集中于生理、生化及相关基因的表达等方面,其耐盐性机制仍需要深入探讨。本文于我国北方四个盐渍化地区(内蒙古自治区的赤峰市和磴口市、宁夏回族自治区的平罗市以及甘肃省敦煌市)的刺槐林中采集了刺槐细根及其根际土,测定了其根际土壤理化性质、根系AMF侵染率和根际土中的孢子、菌丝密度,并利用IlluminaMiseq测序研究了盐碱地刺槐根际AMF的群落组成及影响因素,在此基础上,通过人工模拟盐胁迫设计盆栽试验,探究了盐渍土中的优势菌种根内根生囊霉(Rhizophagus intraradices)在刺槐枯叶分解中的作用,阐明了添加枯叶和接种AMF对盐胁迫下刺槐生长状况的影响及影响机制,最后利用转录组测序技术从分子水平揭示了AMF提高刺槐耐盐性的机制。主要研究结果如下:
1.盐渍土中刺槐根际AMF群落组成及影响因子
盐渍土中刺槐根际的AMF优势种为R.intraradices;AMF特性随采样地点的变化而变化,该变化主要与生境特征和地理距离有关;生境特征对刺槐根和根际土中AMF群落的影响程度相似,而地理距离则对根中AMF群落组成影响较大;根中AMF侵染率与根中R.intraradices丰度显著相关,根际土中AMF的孢子密度、菌丝密度与根际土中Sclerocystissinuosa的丰度密切相关。
2.盐胁迫下AMF对刺槐枯叶分解作用的影响
盐胁迫降低了枯叶的分解及养分释放速率,接种AMF提高了盐胁迫下枯叶中钾和有机碳的释放,细根和菌丝的进入加速了枯叶的分解和养分释放;孔径、AMF和盐胁迫均对枯叶中的细菌和真菌群落组成有显著影响,盐胁迫显著提高了枯叶中真菌的群落多样性,AMF显著提高了细菌和真菌的群落多样性,细菌和真菌的群落多样性随着AMF菌丝和刺槐细根的进入而显著提高。冗余度分析发现当分解盒中有细根存在时细菌、真菌群落与全钾的累积呈显著正相关,而仅有菌丝时细菌、真菌群落与全氮、全磷以及含碳化合物的累积呈显著正相关。
3.盐胁迫下添加枯叶和接种AMF对刺槐生长状况的影响
盐胁迫显著降低了刺槐的生长状况、光合荧光参数以及K+的含量;枯叶和AMF均显著提高了刺槐的生长状况、净光合速率、最大荧光效率以及K+含量,降低了叶片中Na+含量;盐胁迫下同时添加枯叶和接种AMF显著提高了刺槐叶片的净光合速率和最大荧光效率。相关分析发现刺槐的生长状况与土壤有机碳、全氮、可溶性总碳含量呈显著正相关,与硝态氮、速效磷、可溶性总氮含量呈显著负相关。由此可知,盐胁迫下枯叶和AMF是通过改善盐胁迫下刺槐的光合能力、K+/Na+比以及土壤养分状况来提高刺槐的耐盐性。
4.盐胁迫下AMF对刺槐根系转录水平的影响
测序共获得531509730条序列和51310个unigenes,对差异基因进行GO和KEGG功能聚类分析发现刺槐根系主要通过过氧化氢代谢等过程以及黄酮、类黄酮合成等通路应答盐胁迫,通过调节ERF和WRKY等转录因子调控刺槐根系对盐胁迫的适应性;接种AMF后鉴定到的差异基因主要参与了生物调节、刺激应答、转运等过程和氧化磷酸化、蛋白质加工等信号通路,通过上调刺槐的养分转运蛋白基因、抗氧化酶基因等的表达水平提高刺槐的耐盐性。
本研究调查了盐渍土中刺槐根际AMF的群落组成及影响因素,通过接种盐渍土中的优势菌种R.intraradices从营养机制和分子机制两方面探究了盐胁迫下AMF对刺槐耐盐性的影响,以期为盐渍土的利用和生态改善提供理论依据。
1.盐渍土中刺槐根际AMF群落组成及影响因子
盐渍土中刺槐根际的AMF优势种为R.intraradices;AMF特性随采样地点的变化而变化,该变化主要与生境特征和地理距离有关;生境特征对刺槐根和根际土中AMF群落的影响程度相似,而地理距离则对根中AMF群落组成影响较大;根中AMF侵染率与根中R.intraradices丰度显著相关,根际土中AMF的孢子密度、菌丝密度与根际土中Sclerocystissinuosa的丰度密切相关。
2.盐胁迫下AMF对刺槐枯叶分解作用的影响
盐胁迫降低了枯叶的分解及养分释放速率,接种AMF提高了盐胁迫下枯叶中钾和有机碳的释放,细根和菌丝的进入加速了枯叶的分解和养分释放;孔径、AMF和盐胁迫均对枯叶中的细菌和真菌群落组成有显著影响,盐胁迫显著提高了枯叶中真菌的群落多样性,AMF显著提高了细菌和真菌的群落多样性,细菌和真菌的群落多样性随着AMF菌丝和刺槐细根的进入而显著提高。冗余度分析发现当分解盒中有细根存在时细菌、真菌群落与全钾的累积呈显著正相关,而仅有菌丝时细菌、真菌群落与全氮、全磷以及含碳化合物的累积呈显著正相关。
3.盐胁迫下添加枯叶和接种AMF对刺槐生长状况的影响
盐胁迫显著降低了刺槐的生长状况、光合荧光参数以及K+的含量;枯叶和AMF均显著提高了刺槐的生长状况、净光合速率、最大荧光效率以及K+含量,降低了叶片中Na+含量;盐胁迫下同时添加枯叶和接种AMF显著提高了刺槐叶片的净光合速率和最大荧光效率。相关分析发现刺槐的生长状况与土壤有机碳、全氮、可溶性总碳含量呈显著正相关,与硝态氮、速效磷、可溶性总氮含量呈显著负相关。由此可知,盐胁迫下枯叶和AMF是通过改善盐胁迫下刺槐的光合能力、K+/Na+比以及土壤养分状况来提高刺槐的耐盐性。
4.盐胁迫下AMF对刺槐根系转录水平的影响
测序共获得531509730条序列和51310个unigenes,对差异基因进行GO和KEGG功能聚类分析发现刺槐根系主要通过过氧化氢代谢等过程以及黄酮、类黄酮合成等通路应答盐胁迫,通过调节ERF和WRKY等转录因子调控刺槐根系对盐胁迫的适应性;接种AMF后鉴定到的差异基因主要参与了生物调节、刺激应答、转运等过程和氧化磷酸化、蛋白质加工等信号通路,通过上调刺槐的养分转运蛋白基因、抗氧化酶基因等的表达水平提高刺槐的耐盐性。
本研究调查了盐渍土中刺槐根际AMF的群落组成及影响因素,通过接种盐渍土中的优势菌种R.intraradices从营养机制和分子机制两方面探究了盐胁迫下AMF对刺槐耐盐性的影响,以期为盐渍土的利用和生态改善提供理论依据。