周期性淹水下红树根际微生物的多样性及其对铁膜的形成的作用

The formation of iron plaque is a universal morphological feature in root surface of wetland plant. Iron plaque plays an important role in the regulation of nutrient and heavy metals’ absorption and translocation, as well as the plant resistance to heavy metal stress. In the formation of the iron plaque, the large distribution of iron oxidizing bacteria (FeOB) and iron reducing bacteria (FeRB) in the rhizosphere have also played important roles in the formation of iron plaque. Studies on the role of iron oxidizing and reducing bacteria in plant iron formation are mostly found in gramineous grasses, such as rice and common reed. To the best of our knowledge, currently, there is still no studies report the functions of rhizosphere bacteria on the formation of iron plaque on root of mangroves. Tidal flooding in the intertidal wetland not only affects the occurrence and bioavailability of Fe in tidal flat sediments, but also significantly affects the root oxygen secretion and the diversity and activity rhizosphere microbes. Based on the field of investigations and greenhouse controlled experiments, the present project aims to investigate the species and functional diversity of rhizosphere sediment bacteria under the comprehensive influence from waterlogging and other physiochemical factors of the sediment. Based on the indoor controlled experiments, the functions of rhizosphere bacteria, especially FeOB and FeRB, on the formation of iron plaque in root of mangrove and the responses of FeOB and FeRB to various influencing factors will also be studied. This study can further optimize the current theory of the iron plaque formation mechanism in root surface of mangrove plants, and provide an important reference for the studies in the research of nutrient absorption, heavy metal resistance and adaptability of mangrove plants.

铁膜的形成是湿地植物根表的普遍特征，在植物应对调节元素吸收及抗逆等方面都发挥着重要的作用。在铁膜的形成中，根际层大量分布的铁氧化和还原细菌也发挥重要的作用。有关铁氧化和还原细菌在植物铁膜形成中作用的研究多见于水稻和芦苇等禾本科草本植物，对于受潮汐影响的木本植物—红树中的研究还未见相关的报道。潮汐浸淹不仅影响着潮滩沉积物中的铁的赋存形态和生物有效性，也对红树植物的根系泌氧及根系微生物的多样性和活性产生显著的影响。本项目以我国典型红树植物为研究对象，通过野外调查研究不同潮滩高程以及不同淹水条件下铁氧化细菌及铁还原细菌在红树植物根际沉积物以及根表铁膜中的物种及功能多样性特征，并通过室内控制实验研究铁氧化细菌在典型红树植物根表铁膜形成中的作用以及相关的影响因素等。研究将有助于进一步完善红树植物根表铁膜形成机制的理论，对于红树植物在营养元素吸收，重金属抗性和适应性方面的研究具有重要的借鉴意义。

铁膜作为湿地植物根表的普遍形态特征，在红树应对重金属胁迫，调节元素吸收，抗逆等方面都发挥着重要的作用。红树林湿地丰富的铁元素及其氧化物给红树植物铁膜的形成提供了丰富的原料，但是红树植物铁膜形成的生物及非生物学影响机制还不清楚，尤其是在周期性潮汐淹水的影响下。本结题项目通过野外及室内控制实验，综合研究了周期性潮汐影响下典型红树植物根际不同分区的细菌群落结构和功能多样性，揭示了铁氧化还原循环细菌在潮滩高程梯度上的变化特征及其与红树及盐沼植物根表铁膜形成的关系；分离并研究了铁氧化还原循环菌与典型红树植物根表铁膜形成和重金属累积转运上的作用。结果表明，接受更长淹水时间的低潮位红树植物，其根际、根周具有更高的细菌群落结构多样性和代谢多样性，以及更强的碳源利用能力；长时间的淹水一般对应较高的铁膜含量以及更高相对丰度的铁氧化还原循环细菌，表明铁氧化还原循环细菌与植物铁膜形成之间具有内在的联系。从秋茄根际分离的铁循环菌Pseudomonas.sp.SCSWA09A在不同的条件下表现出铁氧化和铁还原的能力。在重金属和周期性淹水的情况下，P.sp.SCSWA09A表现出铁还原的能力，不仅阻止了秋茄根表铁膜的形成，而且增加了铁膜结晶度。外来Fe2+促进了铁膜的形成，减少有毒重金属向植物地上部分转运，增加植物体内的抗氧化酶活性，从而减少植物的氧化胁迫，促进植物的生长。外源有机酸处理和淹水时间的增加显著促进根系分泌物中溶解有机碳、N、P有机物以及部分小分子有机酸的分泌，抑制了铁膜的形成并促使铁氧化细菌在根表的趋化定殖。重金属Cd处理可能通过影响植物的根分泌物，从而影响秋茄根际和根面中铁氧化还原循环功能细菌的相对丰度，进而影响植物根中铁膜的形成。本项目研究对于铁氧化还原细菌在红树铁膜形成的作用的研究将有助于进一步完善红树植物根表铁膜形成机制的理论，丰富我们对于红树植物与微生物相互作用在潮滩湿地铁元素的生物及地球化学循环中作用的认识。