氮沉降对植物共生微生物的影响研究进展_王庆贵.pdf
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1、第 卷 第 期北华大学学报(自然科学版)年 月 ()文章编号:():氮沉降对植物共生微生物的影响研究进展王庆贵,王乙棋,闫国永,邢亚娟,(黑龙江大学现代农业与生态环境学院,黑龙江 哈尔滨;曲阜师范大学生命科学学院,山东 曲阜)摘要:植物和微生物的相互作用可能在植物适应和减缓气候变化中发挥重要功能初始陆地植物是一种半水生的原始藻类和水生真菌的共生产物,氮沉降会使植物共生微生物群落的组成、多样性和功能发生改变,减少植物和功能微生物之间的潜在联系,引起可预测的功能特征变化,进而对生态系统产生影响植物共生微生物直接影响植物的生长和生理生态功能,微生物多样性和群落结构与生态系统功能之间的交互作用一直是生
2、态学的关键科学问题之一系统研究氮沉降对于植物微生物群落功能团的影响以及植物与其共生微生物之间的协同进化关系,对于揭示未来全球变化背景下植物共生微生物对生态系统功能的影响机制及其调控手段具有重要意义关键词:氮沉降;共生微生物;微生物多样性;植物内生菌中图分类号:文献标志码:收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:王庆贵(),男,博士,二级教授,博士生导师,主要从事气候变化背景下的生态系统响应研究,:,(,;,):,:;目前,中国和其他主要经济体正面临氮沉降加剧及其对人类健康、环境及全球气候风险增加等负面影响的持续挑战养分的短期和长期变化可能反馈给气候,导致气候变化微生物群落的主要组
3、成部分通过地球化学资源的交换而相互联系,生态系统中的营养物质可能通过影响微生物的相互作用推动全球氮循环,从而影响生态系统功能植物和微生物的相互作用可能在植物适应气候变化的过程中发挥重要功能,在应对气候变化中具有关键核心地位人类和相关共生微生物的协同进化,选择了对人类健康至关重要的共生关系,植物和动物也是如此在生物和非生物胁迫下,植物可以改变它们的渗出模式,以选择性地招募有益的“耐压微生物组”,内生微生物可以通过改善植物的营养吸收或间接地促进植物防御的方式,使宿主植物直接受益生态系统中的能量以生产力的形式在地上和地下相互传递土壤中的微生物会选择性富集有助于植物耐受性的微生物群,植物根系通过铵和硝
4、酸盐的形式吸收土壤中的可用氮,并通过木质部导管运输到植物的地上部分,植物土壤反馈可以影响植物性能、多样性和群落结构,最终影响生态系统过程地下多样化微生物群落在塑造地上生物多样性和陆地生态系统功能以及两者对环境变化的生态适应和进化过程中具有重要作用(图),地上微生物也是如此,两者之间可以形成强大的共同驱动力截至目前,有关地上地下的反馈研究主要围绕两个子系统之间的相互作用进行,但其协同进化关系仍存在知识缺失,加之微生物多样性及群落组成与生态系统功能之间的相关性一直是生态学的关键科学问题之一,因此,两者的相互作用如何改变生态系统的结构和功能,仍需持续加强研究图 海洋和陆地生物群落中的微生物和气候变化
5、 植物微生物共生体研究表明,初始陆地植物可能是一种半水生的原始藻类和一种水生真菌的共生产物植物的外部和内部、地上和地下组成了一个复杂的植物微生态系统,近年来被称为植物圈,其中包含了各种各样功能的微生物在这些微生物中,有一些是与植物共生的,被称为植物微生物共生体(,),它是影响植物对气候变化反应的一个重要因素 有助于塑造植物群落和生态互作,有益的 决定了植物的生态功能研究结果显示,短期内微生物的丰度和活性更多地受植物物种和性状调节,而微生物群落组成在很大程度上是由宿主植物决定的,微生物的生态学过程与影响生态系统分解和养分循环速率的植物性状变异密切相关微生物群落的确定性驱动因素主要是树种效应、树木
6、与其环境第 期王庆贵,等:氮沉降对植物共生微生物的影响研究进展之间存在的不同界面,树木凋落物、土壤、季节变化和林业生产的影响宿主植物的表面及内部富含特定微生物并发挥不同功能,可以迅速适应环境变化,见图 植物倾向于选择有利且具有良好腐生营养能力的内生和外生菌根系统来促进共生关系 等以北半球为基础,揭示了优势菌根共生体在促进植物特有功能群捕获氮素中的作用复杂微生物群落的独特组成与不同类型的生态系统功能有关,微生物种群对环境变化的敏感性可能对微生物功能有重要影响植物能与根瘤菌形成共生关系,在根部形成根瘤,根瘤内细菌可以将大气中的氮转化为植物可以利用的铵态氮以桉树为例,其内生细菌的种类分布具有不同发育
7、阶段的特异性,其中许多种类具有固氮潜力,可能有助于桉树的整体氮代谢图 植物微生物群落的环境驱动因素 氮沉降对植物共生微生物群落组成和多样性的影响微生物在养分转化和吸收中起着重要作用,而长期重复施用氮肥可能会改变微生物的群落组成氮循环是土壤生态系统元素循环的核心之一,其 个主要过程 生物固氮作用、氨化作用、硝化作用和反硝化作用均由微生物驱动长期施肥后,植物及其共生微生物的丰富度和多样性会显著降低植物微生物按附生位置分为根际、叶际和内生微生物土壤微生物主要通过植物根际到达叶际,再进入植物体内不同生态位是影响氮循环关键功能微生物最主要的因素有研究显示,氮沉降会减少许多生态系统中微生物的生物量以及其中
8、的元素含量;也有研究表明,施氮对微生物生长没有显著影响有关氮对微生物组成和多样性的影响,学界进行了很多研究,比如 等发现,氮沉降显著减少了细菌多样性,但增加了真菌的多样性;等研究表明,外源氮沉降降低了细菌丰度,但增加了真菌丰度氮沉降会显著影响微生物群落结构植物通过共同菌根网络在植物内部和植物之间转移氮,真菌群落组成的改变往往伴随着养分获取能力的变化对于真菌来说,长期氮沉降会降低真菌的丰度和多样性氮肥会降低丛枝菌根真菌的生产力、物种丰富度和多样性,加剧群落收敛,也会减小真菌菌丝长度和降低密度的研究也发现,氮肥改变了真菌群落的组成并减少了真菌的多样性以细菌为例,长期氮素处理会影响土壤细菌群落的多样
9、性和组成,原因可能是由于细菌多样性显著降低,群落组成发生了显著变化施氮,是通过土壤酸化和植物群落变化间接影响细菌群落,直接影响土壤细菌丰富度,对细菌多样性和群落组成有明显的控制作用,且不同土层和不同处理的细菌群落存在显著差异同时,不同植物组织类型的细菌群落组成也存在显著差异 氮沉降对植物共生微生物功能团的影响植物共生微生物直接影响植物的生长和生理生态功能同一功能组别中的微生物类群对氮肥的不同反应,可能对维持复杂和动态环境中的微生物氮循环至关重要氮沉降后,微生物中的关键群落可能北华大学学报(自然科学版)第 卷会影响植物群落组成和生产力以及各种生态系统过程,也可以改变共生微生物的功能,并影响植物群
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