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东北地理所揭示CO2浓度升高对大豆根际微生物群落结构的影响

植物可以通过向根际分泌生物活性分子来改变土壤微生物群,从而影响其后代的表现。根系分泌物除了为微生物生长提供碳和氮底物外,还作为信号分子、引诱剂、刺激剂、抑制剂和排斥剂来影响根际微生物。植物-土壤反馈是决定植物演替、植物种群、群落结构和植物多样性的重要因素。植物土壤反馈通常与土壤生物群的变化有关。特别是土壤微生物群落的组成被认为是这方面的一个重要因素。虽然有研究团队研究了几种微生物对植物生长性能的影响,但整个土壤微生物群对植物土壤反馈的机制更广泛作用仍有待于揭示。图片 1东北地理所揭示CO2浓度升高对大豆根际微生物群落结构的影响。
近日,来自瑞士伯尔尼大学植物科学研究所的科学家们发现一类由小麦和玉米等谷物根部释放的防御性次生代谢产物-苯并恶嗪类,可以改变与根相关的真菌和细菌群落、减少植物生长、增加茉莉酮酸信号和植物防御、抑制食草动物的表现(图1)。另外,他们指出反馈效应不需要较大的土壤动物,相反,微生物或其代谢物可能会被传播,并可能决定下一代微生物群的组成。该研究成果近期已经发表在Nature
Conmunications上。图片 2

以CO2浓度升高为主要特征的全球气候变化已经对农田生态系统产生重大影响,成为全球农业可持续发展的严峻挑战。CO2浓度升高影响植物生理代谢过程,导致植物根系分泌物的总量和化学组成发生改变,进而可能影响土壤微生物群落结构和生态功能。由于土壤微生物驱动碳氮循环,参与土壤养分转化,揭示CO2浓度升高条件下,根际土壤微生物的群落结构及其与土壤农化指标的关系对土壤生产力可持续发展和提高农业生产的气候变化适应性将产生重要意义。

图1 苯并恶嗪类依赖性、微生物群介导的植物表现示意模型,来源www.nature.com
此研究揭示了植物决定下一代根际微生物群组成、植物表现和植物-食草动物相互作用的机制,植物通过改变土壤中细菌和真菌群落的组成来决定下一代的生长和防御;明确了植物通过根系分泌物来改变土壤微生物群决定其后代的表现;说明并强调了根际微生物群对受一代植物的影响,并对利其后代影响至深。原文:

为此,中国科学院东北地理与农业生态研究所农田分子生态学科组助理研究员于镇华、李彦生和研究员金剑等采用OTC植物生长箱,以自然状态CO2浓度条件下生长的大豆为对照,采用qPCR及高通量测序技术,对比研究了高CO2浓度条件下4种主栽大豆品种根际微生物群落结构组成的变化。研究证实CO2浓度升高对东北黑土生长的大豆根际细菌群落结构产生明显的影响,发现高CO2浓度显著影响15个细菌属的丰度,而且这种影响程度在不同大豆品种间存在差异;在真菌研究方面,发现CO2浓度升高显著改变了真菌群落结构并提高了部分大豆品种根际真菌丰度,微生物网络分析表明CO2浓度升高简化了土壤真菌的网络结构及关键菌属,而这些变化与土壤理化性质密切相关。此研究结果将有助于预测我国东北黑土微生物对全球气候变化的响应机制及其与土壤质量的变化关系。

相关研究结果发表在Agriculture, Ecosystems &
Environment
(2016,2018)上,于镇华和李彦生为共同第一作者,金剑为通讯作者。研究得到了中科院百人计划、黑龙江省杰出青年科学基金以及国家自然科学基金(41201247,
41271261, 31501259)的联合资助。

论文信息:

  1. Zhenhua Yu, Yansheng Li, Guanghua Wang, Junjie Liu, Judong Liu,
    Xiaobing Liu, Stephen James Herbert, Jian Jin. Effectiveness of
    elevated CO2 mediating bacterial communities in the soybean rhizosphere
    depends on genotypes.
    Agriculture, Ecosystems and Environment 231
    229–232.

  2. Zhenhua Yu, Yansheng Li, Xiaojing Hu, Jian Jin, Guanghua Wang,
    Caixian Tang,Junjie Liu, Xiaobing Liu, Ashley Franks, Elenora Egidic,
    Zhihuang Xie. Elevated CO2 increases the abundance but simplifies
    networks of soybean rhizosphere fungal community in Mollisol soils.

    Agriculture, Ecosystems and Environment 264 94–98.

论文链接:1 2

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图1 CO2浓度升高和不升高条件下不同大豆品种根际细菌群落结构PCoA分析

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图2 CO2浓度升高和不升高条件下不同大豆品种根际真菌丰度和群落结构PCoA分析

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图3 CO2浓度升高和不升高条件下不同大豆品种根际真菌群落网络结构Zi-Pi

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