生物固氮对西沙珊瑚礁区海草的促生作用及其在恢复岛礁生态系统中的重要性

Coral reefs of Xisha Islands are typical oceanic coral reefs. They represent the oldest and rarest coral reefs in China and have immeasurable social and economic values. Pioneer plants seagrass can inhibit reef desertification and prevent coral reef collapse, so they are of great importance. Entensive inverstigation in this project will be carried out to study the biological nitrogen fixation which can promote the seagrass growth. Regular survey of the species and distribution pattern of seagrass in the selected areas around Yongxing Island, Xisha Zhou and Zhaoshu Island will be conducted. In the meantime, acetylene reduction assay will be applied to mearsure the in situ nitrogen fixation rate, and the total nitrogen fixed by epiphytic organisms will also be estimated. Based on nitrogenase gene nifH, clone library will be constructed to investigate the the dynamics of nitrogen fixing bacterial community structure and fluorescence quantitative PCR will be employed to analyze the abundance and gene expression of nitrogen fixing microorganism. Biomass and nitrogen content together with enviromental factor of the surronding water and pore water of sediments the will be measured. The productivity of seagrass will be calculated based on the data obtained. Multivariate statistical analysis will be used to study the effect of environmental change on the seagrass growth, nitrogen fixation rate and the nitrogen-fixing bacterial community structure and function, and exlore the relationship between biological nitrogen fixation and seagrass growth. The results of this project will not only reveal the role of biological nitrogen fixation to seagrass growth and promote the study of seagrass and coral resources in China, but also will provide scientific basis and technical support for the reef island ecosystem restoration.

西沙珊瑚礁是典型的热带大洋型珊瑚礁，代表着我国现存最古老和最珍贵的珊瑚礁，具有不可估量的社会经济价值。先锋植物海草具有抑制岛礁荒漠化和防止珊瑚礁盘崩塌的重要科学意义。本项目拟着重对能够促进先锋植物海草生长的生物固氮作用展开详细的研究；定期调查西沙永兴岛、西沙洲和赵述岛周边选定海域内的海草种类及其分布特征；利用乙炔还原法，测定固氮微生物的原位固氮效率并估算氮贡献量；利用固氮基因nifH的特异性引物，构建基因文库分析固氮微生物群落变化并应用荧光定量PCR法分析固氮微生物的丰度变化和基因表达特性；测定相应海草的生物量和含氮量，并计算其生产力；利用多元统计方法，探讨环境变化对海草生长、原位固氮效率和固氮微生物群落与功能的影响，并深入探究生物固氮与海草生长之间的关系。该研究结果不仅将揭示生物固氮对先锋植物海草生长的促进作用，推动我国珊瑚礁区海草的研究，而且将为恢复岛礁生态系统提供科学依据和技术支持。

氮素是珊瑚岛礁生态系统生产力的主要限制要素，因此生物固氮作用在岛礁生态系统的氮循环过程中发挥着重要的作用。本项目以西沙群岛为主要的研究区域，以岛礁中的海草群落为主要研究对象，着眼于生物固氮过程，以植物生理学、分子生物学和生态学方法为主要技术手段，通过海草资源的调查和监测、固氮功能基因的定量、分布、多样性研究以及对海草生理生态指标的测定等，探讨了生物固氮微生物功能群在岛礁生态系统中的重要作用以及与海草的相互关系：1)揭示了西沙群岛的海草资源主要种类为泰来草、喜盐草和海神草等，不同海草种类的生长特性不同并且对不同珊瑚礁底质的具有一定偏好性，如喜盐草的植株相对矮小并可以作为先锋植物具有广泛分布而泰来草根际发达生长；2)对海草本身及环境因子进行了研究包括海草植株的生理生态指标、氮素含量和珊瑚礁底质的粒径等；3)应用高通量测序技术分析海草根际微生物和固氮微生物的群落结构组成(种类和丰度)和多样性等，明确了海草根际微生物群落的优势菌种类并存在种类特异性和地理分布差异性；4)分离获得了一批高效固氮蓝藻，它们都具有较高的固氮活性并且能够有效地促进植株的生长等；此外，5)我们还对氮循环过程中其他的功能菌，如反硝化菌进行了功能特性的研究及基因组测序，该菌还具有降解多环芳烃的功能，因此能够在海草的生态修复过程中发挥着重要的作用；本项目的开展能够为深入地研究珊瑚礁生态系统的氮循环功能微生物群提供了重要的技术支撑和理论依据；相关研究共计发表学术论文9篇，SCI 论文7篇，中文核心期刊1篇。