红树内生菌-根际菌复合群落耦联机制及其固氮机理研究

Mangrove ecosystem is always a hot research topic globally due to its special geographic and ecological functional characters. In this system, biological nitrogen fixation (BNF) is the mean N source which driven by microbes. This project is targeting on functional and mechanical study of endophyte-rhizophyte community in nitrogen fixation by using biochemistry and molecular technology methods. Based on analysis of six biological nitrogen fixation (BNF) related functional genes and their relationship with environmental factors, we will explain biodiversity of nitrogen fixing microbes and their community maintaining mechanism in mangrove ecosystem. Also, by using molecular and next generation sequencing technology, this project is targeting on finding new strains and metabolism methods related to nitrogen fixation, and explores cooperation mechanisms of functional endophyte and rhizophyte groups in nitrogen fixation in mangrove ecosystem. Besides, this project is also targeting on explain selection mechanisms of mangrove plants and their related functional endophyte-rhizophyte community according to biochemical analysis of root secretion of mangrove plants. Over all, this project will provide updated knowledge and novel ideas on maintaining functional microbial biodiversity and optimize their ecological functions in mangrove ecosystem.

红树林生态系统由于地理环境特殊性和生态功能多样性等特点一直备受国内外学者关注。微生物是该生态系统氮循环的重要驱动者，生物固氮是该系统中氮素的主要来源。本研究运用生物化学、高通量技术和生物信息学方法解析红树林根际菌和内生菌在红树林生物固氮中的参与力和平衡机制。通过分析不同功能固氮基因的表达来揭示红树林生态系统中固氮微生物多样性及其与环境因子间作用规律，揭示其多样性形成及群落稳定性维持机制。此外，本研究还利用富集、分离和高通量测序技术，力图探明根际菌功能群落与内生菌功能群落在氮循环中的平衡机制。最后对红树林根际环境因子与根际分泌物综合分析，并通过计算机学习方法，揭示红树林与共生功能固氮菌的选择机制。本项目的实施将为维持红树林微生物生态系统多样性及功能性提供新理论和新视角。

氮循环一直是全球营养元素循环的一个研究热点，特别是氮循环中生物固氮环节因其特有的生态学属性而备受国内外学者关注。红树林作为地球上最复杂的生态系统之一，一直对地球营养元素循环和生态平衡起着至关重要的作用。介于红树林特殊的水域生态环境，氮元素一直是该生态系统中各组成部分的一个生长限制性元素，因此明确生物源氮素固定机制对红树林资源开发以及生态系统恢复都具有积极的指导意义。自然界中氮元素的固定主要依赖于功能微生物群落，目前对于红树固氮微生物的研究主要集中在底泥功能微生物多样性的研究上，而对红树内生菌联合固氮机制特别是红树内生菌-根际菌复合群落耦合平衡机制以及该复合群落在湿地生态系统氮循环中固氮环节的综合响应机制尚不清楚。基于此，本课题研究自2019年起按照计划进行，对中国广东省沿海海域红树林（以阳江红树林保育基地为主要取样区域）本土自然树种及海外引进树种相关的共生固氮菌和自由固氮菌群落进行了探讨。本研究在相关区域发现除传统常见共生固氮菌外另一组与硫代谢密切相关的固氮菌，这一结果揭示了红树林功能菌群之间存在的密切相关性，并且预示了红树林主要功能菌群很可能承担着多个生态功能，在红树林演替中发挥着重要的生态学作用。基于此本课题的研究也更侧重于探究这些功能性固氮微生物群落在红树树种及其栖息地土壤中的物种选择差异性。此外，本研究目前的实验结果还证明了引进外来红树种很可能会对本土功能型微生物群落产生显著影响，且该复合微生物群落对红树林群落的生长进化以及氮营养代谢都发挥着巨大的生态学潜能。因此该课题的实验结果对红树植物内生菌-根际菌复合群落耦合机制及其固氮能力的阐述，以及在了解红树林共生微生物群落固氮机理、合理开发红树林微生物资源以及指导红树林人工修复等方面都具有积极的生态学和生物学意义。