铜尾矿废弃地上白茅和狗牙根对根际微生物固氮作用的调控

The extreme lack of nitrogen in copper mine tailings is a principal factor limiting the colonization and growth of plants. The nitrogen supply for non-leguminous pioneer plant such as Imperata cylindrica and Cynodon dactylon in copper mine tailings wasteland is closed related to rhizospheric free-living nitrogen fixing microorganisms. However, it is still unclear about the regulating mechanism of pioneer plants on rhizospheric microbial nitrogen fixation and its influence factors in the development of pioneer plant communities. The plants Imperata cylindrica and Cynodon dactylon are selected, both of which are widely distributed in copper mine tailings. The project analyzes the nitrogenase activity and the nitrogen fixing bacterial composition and abundance in the rhizosphere of pioneer plants with different developmental stages in the copper mine tailings under different oxidation levels, which was used to illuminate the relationship of plant and rhizospheric microbial nitrogen fixation. The analysis of root exudates components, nitrogen fixation functional gene and nitrogenase activity in the rhizosphere soils with different nitrogen levels by culture experiment was used to reveal the biological mechanism of pioneer plant regulating rhizopheric microbial nitrogen fixation. Furthermore, the analysis of root exudates components, nitrogen fixation functional gene and nitrogenase activity in rhizosphere soils under different levels of environmental factors by culture experiment was used to reveal the environmental factors that affect the regulation of pioneer plants on rhizopheric microbial nitrogen fixation. These findings of this project may provide a crucial support for the theory and practice of restoration ecology in mine tailings wastelands.

氮元素的缺乏是限制铜尾矿废弃地上植物生长的重要因素。铜尾矿废弃地上非豆科先锋植物如白茅和狗牙根等的氮素供给与根际自由固氮微生物密切相关。然而在先锋植物群落的形成和发展过程中植物对根际固氮微生物的调控机制及其影响因素等理论问题尚未阐明。本项目以铜尾矿库上广泛分布的先锋植物白茅和狗牙根为对象，研究生长于不同氧化程度铜尾矿上的、处于不同植物发育阶段的先锋植物根际固氮微生物组成、基因丰度、基因的转录和固氮酶活性，探讨植物生长发育对根际微生物固氮的影响；通过室内栽培实验，分析不同氮素水平下，植物根系分泌物组成、根际固氮功能基因和固氮酶活性的差异，阐明先锋植物调控根际微生物固氮作用的生物学机制；分析不同环境因素胁迫下，根系分泌物组成、根际固氮功能基因和固氮酶活性的变化，揭示植物调控根际微生物固氮对环境因子的响应规律。研究结果将为重金属矿业废弃地恢复生态学的理论和实践提供重要支撑。

氮元素的缺乏是限制铜尾矿废弃地上植物生长的重要因素。铜尾矿废弃地上非豆科先锋植物如白茅和狗牙根等的氮素供给与根际自由固氮微生物密切相关。然而在先锋植物群落的形成和发展过程中植物对根际固氮微生物的调控机制及其影响因素等理论问题尚未阐明。本项目以铜尾矿库上广泛分布的先锋植物白茅和狗牙根为对象，研究先锋植物根际固氮类群，发现铜尾矿废弃地中基质样本中本身存在大量的固氮类群，并且具有较高的固氮效率，且类群存在昼夜差异；酸性矿山尾矿具有特定的潜在固氮类群，在有机碳限制的条件下，所有这些微生物的活性都很低。随着有机碳含量的增加，这些固氮菌的活性增加导致固氮能力增强。此外，光照条件可能是调节尾矿中氮固定的重要因素；在黑暗条件下，有机碳含量的增加可能比光照条件下更能促进氮的固定。白茅群落在中性和酸性条件下固氮速率差异不大，但均显著高于狗牙根植物根系的固氮速率，然后从nifH基因水平看，酸性条件下白茅植物群落根系的nifH基因的转录活性要更高。白茅和狗牙根植物根系固氮类群差异不大，主要与慢生固氮菌密切相关，而白茅相对于狗牙根具有更强的固氮能力，该固氮能力随着尾矿基质中氮含量的增加而降低。同时根系分泌物在有氧或无氧情况下对非共生固氮类群的选择性作用，同时主要刺激硫酸盐还原菌和未培养的细菌固氮。通过室内栽培实验，在不同的氮元素含量下白茅和狗牙根根系分泌物组成并无显著差异，同时随着尾矿氮含量的增加白茅植物群落根系的nifH基因丰度并不显著变化，但是转录活性在逐渐降低，而狗牙根植物群落根系的nifH基因丰度呈下降趋势，转录活性相对于白茅处于较低水平。环境因子包括pH、有机质和重金属含量等影响植物调控根际微生物固氮，特别是pH和有机质含量是影响固氮类群最重要的两个影响因素。研究结果为重金属矿业废弃地恢复生态学的理论和实践提供重要支撑。