种子粘液物质与土壤微生物的相互作用对荒漠植物幼苗建成的影响机制

Understanding the ecological adaptation of plants to diverse habitats has been one of the focuses in the research of plant ecology.This project will reveal the ecological importance of seed mucilage trait in the critical stage of life history of Artemisia sphaerocephala, a desert plant with high sand-fixing capacity. Based on our previous research, we will further investigate: (i) the influence of mucilage on the seedling emergence of the desert plant under different precipitation pulses; (ii) the effect of mucilage on the mycorrhizal symbiosis of seedling roots; (iii) the effect of mucilage on bacterial and fungal communities in the rhizosphere of seedlings; and (iv) the pathway of utilization of mucilage biodegrading products during early seedling growth. The primary goal of this project is to elucidate the ecological importance of seed mucilage in the population regeneration of A. sphaerocephala. We will hypothesize and validate that mucilage may enhance seedling emergence in the arid environment, promote the symbiosis between seedlings and mycorrhizal fungi, enrich rhizospheric microorganisms and directly promote early seedling growth. These mechanisms may ensure the successful adaptation of plant populations to harsh desert habitats. Results from this project will contribute new knowledge to the ecological understanding of seed mucilage and life history theory of desert plants, and offer theoretical guidances for the vegetation protection and ecological restoration in desert areas.

理解植物对所处生境的适应对策是植物生态学研究领域的焦点之一。本项目以具有重要固沙价值的荒漠植物白沙蒿为研究案例，揭示种子粘液性状在荒漠植物生活史关键阶段（幼苗建成阶段）中的生态适应意义。在前期研究的基础上，进一步研究（1）不同降水脉冲下粘液性对荒漠植物幼苗出土过程的促进机制，（2）粘液性对幼苗菌根共生过程的影响，（3）粘液性对幼苗根际土壤真菌和细菌群落的影响，以及（4）幼苗生长发育中对粘液降解产物的利用方式和途径，旨在阐明种子粘液性在白沙蒿种群更新中的贡献。推测并验证荒漠植物生活史中，种子粘液性通过促进幼苗在干旱生境中出土、促进幼苗的菌根共生过程、增加根际微生物群落的代谢物质和直接促进幼苗生长等策略来确保种群成功适应极端严酷的荒漠环境。本项目所取得的研究结果将可丰富和发展种子粘液性的生态适应理论和植物生活史对策理论，并可为荒漠地区的植物资源保护和植被恢复提供理论支撑。

项目的背景：本项目以具有重要固沙价值的荒漠植物白沙蒿为研究案例，揭示种子粘液性状在荒漠植物生活史关键阶段（幼苗建成阶段）中的生态适应意义。以种子粘液为研究对象，系统研究了种子粘液在幼苗阶段与丛枝菌根、土壤微生物相互作用，并进行了种子粘液降解菌的筛选，深入阐明了种子粘液和微生物的互作机制对幼苗出土和生长的影响。.主要研究内容：利用温室实验，研究了种子粘液和丛枝菌根对荒漠植物白沙蒿幼苗生长的影响；在自然生境中，通过灭菌剂改变土壤微生物群落，研究了种子粘液和土壤微生物相互作用对白沙蒿幼苗出土的影响；从自然生境的根际土壤中筛选种子粘液降解菌，并对其在自然生境中土壤微生物群落动态的功能进行了分析。.重要结果、关键数据及其科学意义：1) AM真菌通过增加白沙蒿幼苗对营养元素的吸收，提高了白沙蒿在荒漠生境中的建植成功率。但是，和我们的预测相反，AM真菌显著降低了白沙蒿幼苗的生物量，粘液、AM真菌与粘液的相互作用对幼苗生物量的影响不显著。因此，种子粘液和丛枝菌根在荒漠植物白沙蒿幼苗生长中的作用是相互独立的。2）种子粘液和土壤微生物相互作用调节了白沙蒿幼苗出土过程。链霉素处理下，放线菌门的有益细菌和子囊菌门的真菌成为群落中主要种，厚壁菌门和球囊霉门的微生物成为关键种，这些有益菌通过提高白沙蒿幼苗的耐旱性和抑菌性增加幼苗出土率。粘液不仅通过其高保水性和润滑作用直接提高白沙蒿的幼苗出土率，还通过与土壤微生物相互作用，增强真菌和细菌群落间的相互协作，提高土壤中酶的活性，间接影响白沙蒿幼苗出土。3）从自然生境中白沙蒿根际微生物中分离了一种可以降解粘液的真菌，并鉴定为黄孢原毛平革菌。该粘液降解菌在5月份生长季早期时，具有最大的连接度，表明该菌在维持生长季早期真菌群落结构与功能中具有重要作用。本项目系统阐明了在恶劣的荒漠生态系统中，种子粘液和土壤微生物相互作用促进荒漠植物种群成功建植的生态学机制。