紫茎泽兰根际微生物群落结构、多样性和功能研究

Ageratina adenophora is a worldwide invasive weed and is one of the most destructive exotic invasive weeds in China. Its invasion not only markedly reduces the biodiversity of vegetation but also changes the structure and function of soil microbiota which conversly promotes the growth and competition of A. adenophora through its enhanced physiological and biochemical activities. Changing soil microbiota, therefore, is the main reason for its successful invasion. However, our knowledge of the composition, structure, diversity and function of the soil microbiota, its interactions to the A. adenophora is still very poor. In this project, using culture-independent molecular techniques, we will investigate composition, structure and function of the rhizosphere microbiota of A. adenophora and native plant species, and statistically compare the differences between them; identify predominant bacterial populations and investigate their roles in the hydrolyses of cellulose, starch and protein, glucose fermentation, nitrogen-fixation, nitrification and denitrification in soil; systematically investigate ecological relationship between soil microbiota and A. adenophora and further reveal the mechanism of soil microbiota in the successful invasion of A. adenophore.

紫茎泽兰（Ageratina adenophora Sprengel）是一种世界入侵性杂草，是我国危害最严重的外来入侵恶性杂草之一。紫茎泽兰入侵不仅显著减少了植被的生物多样性，还引起了入侵地土壤微生物群落结构和功能的改变，而改变了的微生物群落又通过其强化的生理生化活动促进了紫茎泽兰的生长和竞争。因此，通过改变土壤微生物群落可能是紫茎泽兰成功入侵的主要原因，但对入侵地微生物群落的组成、结构、多样性和功能，以及土壤微生物群落与紫茎泽兰之间相互作用机理还缺乏足够的了解。我们拟采用免培养的分子微生物生态学方法研究紫茎泽兰根系细菌群落的组成、结构和多样性，了解它们与本土对照植物根系细菌群落的差异，鉴别群落优势菌群，确定它们在土壤纤维素、淀粉和蛋白质水解、糖发酵、固氮、硝化及反硝化过程中的作用，系统研究土壤微生物群落与紫茎泽兰之间的生态学关系，进一步揭示土壤微生物群落在紫茎泽兰成功入侵中的作用机理。

采用纯培养的研究结果表明，紫茎泽兰（Ageratina adenophora）在其入侵过程中通过其根际分泌物显著改变了其根际微生物群落的结构和功能，促进了紫茎泽兰根际土壤营养物循环，使其更有利于紫茎泽兰的生长，在紫茎泽兰入侵中取重要作用。但对微生物群落改变的程度及影响其改变的相关的土壤物理化学因素尚不清楚。本课题在分析了紫茎泽兰根际土壤物理化学特征的基础上，采用免培养的宏基因组和宏转录组方法研究了紫茎泽兰单优区及紫茎泽兰与本土植物不同程度的混生区土壤微生物群落在组成和多样性方面的差异，并研究比较了紫茎泽兰、以其混生的本土植物五月艾（Artemisia indica）和未被紫茎泽兰入侵区本土植物尖刀草（Imperata cylindric）根际微生物群落在组成、多样性和功能方面的差异。结果表明，紫茎泽兰入侵并未显著改变其入侵地及根际微生物群落的组成和多样性，但对其根际土壤微生物群落中少部分微生物种群显示了显著富集或排斥作用，而且紫茎泽兰根际的主要代谢途径和功能基因的表达与本土植物存在显著差异，说明紫茎泽兰在其入侵过程中主要通过改变少部分的根际功能菌群来获得生长优势；同时发现，紫茎泽兰根际土壤NH4+-N水平显著影响了紫茎泽兰入侵区的根际微生物功能种群的选择性富集，说明氮源获取能力在紫茎泽兰竞争中取着重要作用，紫茎泽兰入侵区根际的自生固氮菌Azospirillum的丰度显著高于本土对照植物，表明Azospirillum可能在紫茎泽兰根区和根际的固氮过程中取重要作用，因此，选择性的抑制紫茎泽兰根际自生固氮菌，特别是Azospirillum，使其不能获取足够的氮源以满足紫茎泽兰快速生长的需要，可能是遏制紫茎泽兰入侵的备选路径之一。通过本课题的研究掌握了紫茎泽兰根际微生物群落的优势菌群，了解了紫茎泽兰根系分泌物对其根际微生物群落的影响机制以及紫茎泽兰根际的优势菌群在土壤营养物质利用及转化中的功能和作用，进一步阐明根际微生物群落在紫茎泽兰入侵中的作用机理。