长期大豆轮作/连作对土壤中大豆根瘤菌多样性的影响机制

The nitrogen-fixing symbiosis formed by soybean and rhizobia has been a hot spot, as it can meet over 50% of soybean N demand. The efficiency of symbiotic nitrogen fixation of soybean depends on the compatibility between soybean-nodulating rhizobia and soybean cultivars. The higher soybean-nodulating rhizobia abundance and diversity, the more suitable soybean-nodulating rhizobia for soybean cultivars, and then the greater chance of forming a highly efficient nodule for soybean. Based on long-term soybean, maize and wheat rotation/continuous cropping system, bareland, and glassland field experiment and laboratory simulation experiment combining with high throughput sequencing and red fluorescent protein gene labelling biotechnology, the following research contents are considered: 1) the variation of soybean-nodulating rhizobia diversity and abundance under the treatments of long-term soybean, maize and wheat continuous cropping/rotation system, bareland, and glassland field experiment; 2) the reproductive process and the biological control mechanism of soybean-nodulating rhizobia under the condition of soybean and non-legumes planted; 3) the response and adaption mechanism of the soybean-rhizobia diversity to the soybean and non-legumes crop root secretions and stubs solution. Above findings have very important theoretical and practical significance in improving the ability of biological N2 fixation, and screening highly efficient soybean-nodulating rhizobia, and designing rotation system with the core of soybean.

大豆根瘤菌通过与大豆形成共生固氮关系，能满足大豆约50%以上的氮素需求，因此一直是科学研究的热点问题。大豆共生固氮效率取决于根瘤菌与大豆的亲和性，土壤中的大豆根瘤菌的丰度和多样性越高，与大豆相匹配的大豆根瘤菌就越多，形成高效根瘤的机率就越大。本项目拟利用长期大豆参与的轮作/连作、裸地、草地、玉米和小麦连作的定位试验及室内模拟试验，采用高通量测序技术和红色荧光蛋白标记技术，系统研究：1）长期大豆、玉米和小麦轮作/连作及裸地、草地条件下大豆根瘤菌多样性和丰度的变化规律；2）大豆根瘤菌在大豆和非豆科作物种植条件下的繁殖方式及对土壤中大豆根瘤菌多样性的生物学控制机制；3）大豆根瘤菌多样性对大豆和非豆科作物根系分泌物和根茬腐解物的响应和适应机制。这项研究将在提高大豆共生固氮能力、筛选高效大豆根瘤菌及合理设计以大豆为核心的轮作种植制度等方面具有重要意义。

土壤中的大豆根瘤菌的丰度和多样性决定大豆共生固氮效率的高低。本项目利用长期定位试验及室内模拟试验，明确了长期（非）大豆轮作/连作条件下大豆根瘤菌多样性和丰度的变化规律，揭示了大豆根瘤菌在大豆和非豆科作物种植条件下的繁殖方式及对土壤中大豆根瘤菌多样性的生物学控制机制，阐明了大豆根瘤菌多样性对豆科和非豆科作物根系分泌物和根茬腐解物的响应和适应机制。.基于长期定位试验样地，研究发现长期（非）大豆轮作连作参与的种植制度下土壤中大豆根瘤菌的丰度为6.1×102 - 1.2×107 CFU/g土，分离到的大豆根瘤菌均为慢生根瘤菌，分别是Bradyrhizobium sp. I，Bradyrhizobium sp. II，B. ottawaense，B. japonicum USDA 6T和B.diazoefficiens USDA 110，其中Bradyrhizobium sp. I为绝对的优势菌种。大豆根瘤菌通过共生生活方式下大豆根瘤菌的丰度、组成及多样性显著高于通过腐生生活方式下的根瘤菌的丰度和多样性。同时大豆根瘤菌的丰度和群落组成与大豆种植频率有关，种植频率越低（>0.3）大豆根瘤菌的丰度越高，而种植频率越高（<0.75）大豆根瘤菌的丰度越低（大豆连作除外）。此外土壤pH值、有机质含量（OC）和速效磷含量（AP）是影响大豆根瘤菌群落结构的关键因素。B. ottawaense的分布与土壤pH具有直接的正相关关系，而Bradyrhizobium sp I和B. japonicum USDA 6T与土壤的有机碳含量、速效磷含量以及速效钾含量具有正相关关系，与土壤的pH具有负相关关系。Bradyrhizobium sp II主要受到土壤速效氮的影响。研究还发现长期（非）大豆轮作/连作下大豆根瘤中微生物群落结构与根系和土壤中的显著不同，与大豆轮作/连作处理土壤相比，不同处理从根系到根瘤显著富集和减少的OTUs逐渐增多，即大豆根系的过滤作用逐渐增强，同时受到外界环境因素的影响减少。接种大豆、玉米和小麦根系分泌物和根茬腐解液的室内培养试验表明，大豆根系相关属性对大豆根瘤菌丰度和多样性的影响与玉米和小麦的不同。因此土壤中大豆根瘤菌的丰度、组成及多样性的变化是大豆（包含出现频率、根系相关属性）、根瘤菌生活方式及土壤理化属性共同作用的结果。