固沙先锋植物沙蓬-内生固氮菌的共生固氮机理

Nitrogen (N) nutrition deficiency is a limiting factor affecting revegetation in serious desertification areas, and Agriophyllum squarrosum is a pioneer plant adapted to moving sand dune for sand stabilization, the N accumulation in plant and seeds were high. Abundant endogenous N-fixing bacteria were preceived in Agriophyllum squarrosum plant through preliminary work, together with higer nitrogenase activity, based on which, this project intends to (1) Collect Agriophyllum squarrosum plants of different growth stages and rihzospheric sand from southeast Badain Jaran Desert to study the spatial and temporal distribution rules of endogenous N-fixing bacteria in plant, and discuss N-fixing capability and N-accumulation characteristic of bacteria-plant symbiotic N fixation system based on N content dynamic in sand and different parts of plant;(2) Immitate the original habitat control experiment to study the N fixing efficiency and characteristic in Agriophyllum squarrosum-endogenous bacteria symbiotic N fixation system with 15N tracer technique and in vitro determination for nitrogenase; (3) To study the effect of Agriophyllum squarrosum body fluid and secreta to the adverse survival and N fixation of endophytic diazotrophs and to reveal the symbiotic N fixation mechanism between Agriophyllum squarrosum and endogenous bacteria grown under harsh habitat,inorder to explore new method for vegetation fixation and N retoration and to provide theoretical basis for infertility tolerance and community establishment of Agriophyllum squarrosum in moving sand dune.

氮素匮乏是严重沙化地区植被恢复的主要限制因素之一。沙蓬(Agriophyllum squarrosum)是适生于移动沙丘的先锋固沙植物，其植株和种子氮积累量高。本项目在前期工作观察到沙蓬植株体内含有大量内生固氮菌，且菌体固氮酶活性较高的基础上，拟通过⑴在巴丹吉林沙漠东南缘的流动沙丘采集不同生长阶段的沙蓬植株及根际沙土，研究内生固氮菌在沙蓬植株体内的时空分布规律，根据植株不同部位组织及根际沙土的氮含量动态，探讨菌-植株共生固氮系统的固氮能力和氮积累特性；⑵模拟原生境室内控制实验，以15N同位素示踪和固氮酶活体测定为主要技术手段、研究沙蓬-内生菌共生固氮系统的固氮效率和固氮特性⑶研究沙蓬植物体液和根系分泌物对内生固氮菌抗逆生存和固氮能力的影响；揭示沙蓬与其内生固氮菌在严酷生境下的共生固氮机理，以期为移动沙丘的植被固定和氮素恢复探寻新的策略。为固沙植物沙蓬的群落建成机制和耐瘠薄性研究提供基础

为探讨固沙先锋植物沙蓬与其内生固氮菌的共生固氮机理，明晰固氮菌在沙蓬植株体内的时空分布特性和菌-植共生固氮系统的固氮特性，探明沙蓬-内生固氮菌协同抗逆的机理。本项目以流动沙丘生长的沙蓬植株及根际沙土为研究材料。探讨了沙蓬菌-植株共生固氮系统的固氮能力和氮积累特性，以及沙蓬体液及根系分泌物及其对固氮菌耐逆能力的影响。经过3年的研究，项目达到预期目标，并得到以下重要发现和结论：.1.明确了沙蓬植株内生固氮菌的数量分布在时间和空间上的异质性。内生固氮菌主要分布于宿主光合产物的源-库两端，顶部茎叶内的固氮菌就近获得光合产物并发挥固氮作用。指出沙蓬植株各部位存在数量庞大的，多菌种的固氮菌群体，沙蓬种子及立枯体等都可作为菌体依附传播的载体。揭示了固氮菌在宿主植物保护下应对沙漠极端高温、干旱等胁迫并获取各生存要素的机理。.2.探明沙蓬-内生固氮菌共生固氮系统“自给自足”的固氮效率和模式保证了沙蓬于各生长阶段都能获得充足的氮素。指出这一共生固氮系统较植物生长初期需借助外界氮素供应维持的根瘤菌结瘤共生固氮和根际固氮菌联合固氮有更强的沙漠生存能力。证实了沙蓬植株能通过固氮作用，以及解磷固氮菌和分泌有机酸的解磷作用同时在在根际沙土中积累氮素和有效磷。.3.探明在应对外界水热条件变化时，沙蓬植株能通过其体液浓度和有机酸含量的变化为对体内固氮菌的固氮及代谢速率进行调节。并在种子成熟时通过植株组织的快速脱水促使菌体数量减少并休眠，在减少固氮菌对氮素和养分消耗的同时保证其种群的延续。.以上科学发现和结论对于探讨沙漠环境下的菌-植共生固氮机制，探索极端生境先锋植物与其内生菌间的协同适应机理有重要的参考价值和科学意义。研究成果为开展深入的沙漠环境模拟栽培试验，以及沙漠专用固氮微生物菌剂的应用开发提供了理论基础和技术先导。在这一过程中，发表高质量学术论文11篇，申报专利2项，出版专著2部，具有较高的科学价值和良好的应用前景。