毛乌素沙地四种典型沙生灌木根际微生物组配关系及其潜在功能解析

The rhizosphere microorganisms are pivotal for plant growth and health, tolerance to environmental stress, nutrient acquisition, and drive biogeochemical cycles. In order to understand the effects of rhizosphere microbial communities and functions of desert plants on these processes, we select four shrubs (Artemisia ordosica, Salix psammophila, Hedysarum mongolicum, and Caragana korshinskii) that were planted in similar stand, with aim to compare the composition and functional attributes of rhizosphere microorganisms using metagenomics sequencing, and unravel the interactions between rhizosphere microorganisms and soil environmental factors/plant properties. The results are helpful for revealing the desert plant-soil interactions, and would be of importance on understanding the role of soil microorganisms in desert plant improvement and resistance to drought, soil formation and biogeochemical cycles, and provide a new idea of constructing and regulating desert vegetation.

根际微生物是根-土界面最活跃的组分，是植物-土壤相互作用的关键驱动力。然而，不同荒漠植物根际微生物组配关系、群落结构特征及其与植物和土壤的相互作用等问题并不清楚，制约着对荒漠生态系统诸多过程的认识。项目选择毛乌素沙地四种典型沙生灌木油蒿（Artemisia ordosica）、沙柳（Salix psammophila）、杨柴（Hedysarum mongolicum）和柠条（Caragana korshinskii）为研究对象，采用原位取样和宏基因组学等技术手段，在明确四种灌木根际微生物群落结构和功能特性的基础上，尝试解析根际微生物与土壤和植物之间的互作关系。预期结果有助于揭示荒漠植物-土壤互作机制，增进对荒漠植物抗逆适应性、荒漠生态系统成土机制和生物化学循环等相关生态过程的认识，并为荒漠地区植被建设和管理提供理论依据。

土壤微生物是生态系统中关键的分解者和调节着，支撑着生态系统多样性和功能。传统的观点认为，荒漠地区是荒芜的，偶见零星植物和动物，但如果考虑到看不见摸不着的土壤微生物的话，荒漠地区并不荒芜，而是生物多样性极其丰富的。在这里，有着陆地生态系统最常见的微生物种群，同时，世界范围内的荒漠也发现一些独特的微生物类群。.本项目：1. 利用高通量测序技术（16S和ITS2），对提取的油蒿、沙柳、杨柴和柠条四种灌木根系、根际、根区、枯落物、叶片部位全部微生物DNA进行测序，获取测序数据，进行生物信息学分析，主要研究样品细菌和真菌物种多样性、种群丰度、群落结构、优势种和系统发育关系树等。项目利用源-汇分析（SourceTracker analyses）和嵌套分析（Nestedness analysis）构建沙生灌木各个生态位微生物源-汇模型主要发现了在沙地上种植灌木显著增加了生态系统微生物多样性，相较于灌木种之间微生物群落结构差异，不同生态位之间微生物群落结构差异更加明显，并发现寡营养生态位比富营养生态位具有更高的微生物网络复杂性，根际土壤具有最高的细菌和真菌种子库，叶际微生物还可能通过凋落物进一步影响土壤微生物群落组成，本研究解析了沙生灌木招募微生物群落的机制。2. 采用原位采样和高通量测序，发现几种灌木外生菌根主要隶属子囊菌门，网络分析显示，其优势菌属为丝盖伞属、丝膜菌属、滑锈伞属以及茸盖亚属，灌木间外生菌根真菌群落结构存在显著差异，沙柳具有15个特有种。研究结果有助于有机质分解和植物适应性方面的深入认识。3. 采用野外随机区组、苯菌灵（benomyl）杀菌处理和高通量测序等技术，苯菌灵处理影响了油蒿根系丛枝菌根真菌的侵染率，并进一步改变了油蒿和多年生草本植物的生长特性，结果证明了丛枝菌根真菌通过影响植物营养吸收进而调节其生长和繁殖，研究结果可为荒漠植被管理提供一定的理论支持。4. 采集灌木林表层土壤，运用高通量测序技术，鉴别了沙地土壤化学异养固氮菌主要隶属变形菌门，网络分析鉴定其关键菌属是Azospirillum，Bradyrhizobium和Mesorhizobium，并借助15N2同位素标记技术，测定了沙地土壤化学异养固氮微生物固定的氮速率是0.03 mg kg-1 day-1，结果对准确评估沙地土壤固定氮气具有重要意义。