植物亲缘选择的生态学机制—验证根际氮矿化假设

Kin selection in plants, an important intra-specific plant-plant interaction, has discovered recently in some species. But, how kin group decreases root competition on resources and root growth and enhances inclusive fitness species is not clear as far. Based on our previous study on kin selection, the proposed project aims to determine the assumption of rhizospheric N mineralization, i.e. kin group increase rhizospheric N mineralization and root N assimilation by modifying root exudates and rhizospheric microorganisms to decrease root competition on soil N by applying in situ collection of exudates to compare composition of available N, rhizospheric microorganisms and enzymatic activities relevant to N mineralization and root exudates between kin and non-kin groups. Discovery of the mechanism of kin selection in plants contributes to develop theories of plant inter-specific interactions and to understand in depth origin and maintenance of biodiversity.

植物亲缘选择作用是近年来生态学家发现的一种同种植物间重要的作用方式，但是对于亲缘植株如何实现减少亲缘植株根系生长的生态机制尚不清楚。本项目拟在前期植物亲缘选择作用研究的基础上，选取典型模式物种进行亲缘选择试验，通过比较亲缘组和非亲缘组植株根际土壤有效氮、微生物、氮矿化酶和根系分泌物成分与含量，验证根际氮矿化假设，即具有亲缘选择的物种通过改变根系分泌物组成和含量调控根际微生物量和氮矿化酶活性，进而加快亲缘植株间的根际氮矿化、减少亲缘植株根系生长，实现亲缘选择。揭示植物亲缘选择作用的生态学机制有助于拓展植物种间作用理论，进一步深化生物多样性形成与维持机制的理解。

针对植物亲缘选择作用中亲缘植株实现减少亲缘植株根系生长这一独特的生态现象和科学问题，选择已验证存在亲缘选择识别现象的黑麦草（Lolium multiflorum L.），未发现存在亲缘选择关系的玉米（Zea mays）为实验样本，对比研究盆栽过程中黑麦草及玉米亲缘组及非亲缘组根际过程中微生物量碳、土壤酶活（N-乙酰-β-D氨基葡萄糖苷酶、脲酶）、有效氮（铵态氮、硝态氮），根系特征（比根长、比表面积、组织密度、平均直径）及其植株对有效氮的吸收利用效率，同时收集相应的根系淋溶分泌物进行土壤室内培养，对比研究两种植物不同亲缘关系的植物根系淋溶液对土壤的微生物量、土壤酶活、有效氮的影响。主要研究结果如下：[1]具有亲缘选择现象的黑麦草亲缘组相邻生长时，显著提高土壤微生物碳、氮矿化酶（N-乙酰-β-D氨基葡萄糖苷酶、脲酶）以及铵态氮；未表现出亲缘识别现象的玉米其亲缘组及非亲缘组根际过程无显著差异。[2]亲缘组黑麦草对氮的吸收利用效率高于非亲缘组，尤其是NO3—N；相反的玉米亲缘组降低了对N的吸收利用效率。[3]黑麦草及玉米在亲缘选择实验中并未发生根系特征变化。本研究揭示了具有亲缘识别现象的物种通过调控根际微生物量和氮矿化酶活性，进而加快亲缘植株间的根际氮矿化、减少亲缘植株根系生长，实现亲缘选择；这一研究结果对深入研究植物种间作用、生物多样性形成与维持机制奠定基础。