狼牙刺-根瘤菌共生固氮体系的光响应机制及其对植物资源分配策略的影响

To explore the effects of legume-rhizobia symbiotic systems on habitat response and plant resource allocation strategies, it is useful to understand the importance of legumes in vegetation restoration. The nitrogen fixation efficiency of legumes is not only affected by the population structures of rhizobia but also by light. However, it is still unclear how light can regulate the nitrogen fixation efficiency and the resource allocation strategies of legumes by affecting the population distribution of rhizobia. Here, Sophora davidii – rhizobia symbiotic system will be concerned, which can grow both in forest edge and understory in the Loess Plateau. We will use culturomics to investigate the population distribution patterns of rhizobia isolated from S. davidii under different light environments in the Loess Plateau. Then, we will design a shadehouse experiment to explore the symbiotic selection trends between S. davidii and predominant rhizobia, to summarize the changing trends of rhizosphere functional communities, and to find the feedbacks regulation characteristics of the resource allocation of S. davidii, by using high-throughput sequencing technology and plant trait variations. It is intended to reveal the driving factors of microbial genetic and functional diversity and the adaptive mechanism of S. davidii in the S. davidii-rhizobia-microbial system under different light environments. The project is expected to ascertain the mechanism of habitat adaptation of legume-microbial systems to stabilize forest ecosystems, as well as provide theoretical support for the artificial regulation of the rhizosphere environment to strengthen ecosystem services and the practice of returning farmland to forests in the plateau region.

探讨豆科植物和根瘤菌共生体系对生境的响应机制及植物资源分配策略的影响有助于理解豆科植物在植被恢复中的重要性。豆科植物的固氮效率不仅受根瘤菌种群结构的影响也受光的调控，然而光如何通过影响根瘤菌的种群分布调控共生固氮并影响植物的资源分配策略仍不清楚。本项目以陕北黄土高原林缘和林下两种光环境下的狼牙刺-根瘤菌共生固氮体系为研究对象，利用培养组学调查不同光生境下狼牙刺根瘤菌种群分布格局。同时，通过室内遮荫实验，利用微生物群落高通量测序技术，结合植物性状变异，探索不同光强处理下狼牙刺优势根瘤菌的共生选择趋势、根际功能群落的变化趋势以及狼牙刺植物资源分配的反馈调节特性，揭示不同光条件下狼牙刺-根瘤菌-微生物体系中微生物遗传和功能多样性的驱动因素及植物的适应性。有望探明豆科植物-微生物体系的生境适应性对稳定森林生态系统的作用机制，为人工调控根际环境加强生态系统服务及黄土高原地区退耕还林实践提供理论依据。

为了研究黄土高原不同光照和土壤条件下狼牙刺根瘤菌的多样性和分布，我们采集了生长在陕西省子午岭的林缘和林下的狼牙刺根瘤，并从中分离纯化得到271株根瘤菌。我们基于16S rRNA 基因、持家基因(atpD、dnaK、recA)和共生基因(nodC和nifH)的PCR-RFLP和系统发育关系，鉴定出这些菌株为中慢生根瘤菌(Mesorhizobium)，属于16个Mesorhizobium属的基因型类群，其共生基因隶属于4个nodC谱系和3个nifH谱系。结果表明:在16个Mesorhizobium基因型类群中，M. waimense和M. amorphae/Mesorhizobium sp. X分别是林缘和林下生境中的优势类群，说明光照是影响狼牙刺根瘤菌多样性和生物地理格局的可能因素。然而，不同样点的根瘤菌基因型类群与环境因子的典范对应分析（CCA）结果表明，土壤pH、总磷（TP）、总钾（TK）和总有机质含量（TOC）是决定根瘤菌群落结构的主要决定因素，而光照条件与速效磷（AP）对根瘤菌群落的作用较小。这项研究首次表明了与狼牙刺共生的根瘤菌的多样性和分布模式，并揭示了光照条件是影响狼牙刺根瘤菌群落结构的一个可能因素，但其影响小于土壤环境。.根际微生物群落与植物生长关系密切，优势和稀有微生物群落构建和功能对于理解微生物群落与环境相互作用和适应性至关重要。通过采集林缘和林下狼牙刺根际和非根际土壤，利用16S rRNA基因扩增子测序，探索了两种光生境下优势细菌类群和稀有细菌类群的构建机制和功能多样性。结果表明，林缘和林下狼牙刺根际细菌优势和稀有类群alpha多样性及群落结构存在明显差异，而非根际细菌结构差异不大。林缘和林下根际细菌的物种组成显著不同，其中林下根际细菌优势菌群假单胞菌科和芽孢杆菌科相对多度更高。在两种光生境下，优势细菌类群主要受到确定性过程的影响，稀有细菌群落则由随机性过程主导。根际细菌和非根际细菌行使的功能不同，稀有细菌比优势细菌具有更多功能多样性。根际细菌在碳氮循环过程中发挥主要功能，此外林缘稀有细菌还涉及光能营养。该研究揭示了光照可能是影响豆科植物根际细菌群落组成的重要因素，且根际细菌对豆科植物在不同光生境下的适应性至关重要。