紫花苜蓿-根瘤菌-丛枝菌根共生体碳氮磷交换机制研究

In this study, tripartite symbiotic association of alfalfa, arbuscular mycorrhizas fungi and rhizobium was chosen to be investigated in order to study the effects of rhizobia and mycorrhizal on alfalfa photosynthetic carbon assimilation and status of nitrogen and phosphorus under different nitrogen and phosphorus availabilities. We would analyze C:N:P stoichiometry characteristics in the symbiotic body tissues to clarify regulatory mechanisms of rhizobium and arbuscular mycorrhizal on capacity of photosynthetic carbon assimilation and strength of carbon sinks in the host plant under different nitrogen and phosphorus availabilities; further understanding coupling mechanisms between supply of nitrogen and phosphorus and consumption of carbon under nitrogen and phosphorus deficiency state; eventually revealing feedback relationships between host plants, microorganisms and environmental factors. The project could lay the theoretical foundation for the use of rhizobia and arbuscular mycorrhiza as microbial fertilizer, which can provide scientific basis for improving the management measures of agricultural ecological system.

以紫花苜蓿-根瘤菌-丛枝菌根形成的共生体为研究对象，在不同氮磷添加下，研究根瘤菌和丛枝菌根与紫花苜蓿共生对寄主植物光合作用碳同化及氮磷营养状态的影响。通过对共生体内各组织C:N:P生态化学计量学特征的分析和研究，阐明不同氮磷供应下，根瘤菌和丛枝菌根与紫花苜蓿共生对寄主植物光合碳同化能力和碳汇强度的调节机制；进一步掌握在氮磷供应缺乏下，根瘤菌和丛枝菌根对紫花苜蓿氮磷供应与光合产物碳消耗之间的耦联机制；最终揭示寄主植物，微生物和环境因子之间物质交换的反馈关系。本项目可为利用根瘤菌和丛枝菌根作为微生物肥料奠定理论基础，同时也为改善农业生态系统管理措施提供科学依据。

丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）是一类广泛存在于土壤中的一种真菌，大约80%的陆生植物都能与其建立共生关系。在真菌与宿主植物形成的共生体中，真菌消耗宿主植物提供的光合产物完成其生活史，与此同时，AMF供给宿主植物磷（P）和氮（N）等营养元素。研究表明，紫花苜蓿能够与根瘤菌和AMF形成三者共生体。本项目以紫花苜蓿与AMF的共生体为研究对象，探讨了在不同浓度N、P或水分条件下，宿主紫花苜蓿光合碳（C）同化的能力、N和P积累能力及叶片和根系的生态化学计量学特征对AMF的响应规律；研究了AMF和根瘤菌共同接种对紫花苜蓿的协同增效效益的潜在机制；阐明了叶片和根系的N:P生态化学计量学特征对宿主植物和菌根之间的C消耗与N、P的转运能力的指示作用；通过对紫花苜蓿叶片和根系δ13C和δ15N的量化分析，揭示了紫花苜蓿与AMF之间光合C消耗与N、P等营养物质转移的潜在机制。结果表明，AMF能够通过增强紫花苜蓿的光合气体交换的能力、叶绿素浓度和N、P营养物质含量等，提高宿主紫花苜蓿在低浓度N、P或干旱胁迫环境下的生长能力。与此同时，紫花苜蓿的叶片和根系的生态化学计量学特征能够在一定程度上能够反映宿主植物对菌根的依赖程度、宿主植物的C消耗与菌根N、P营养物质的转运能力及土壤中营养物质有效性等。然而，由于植物的地上和地下组织在生长环境和生理生化属性方面存在巨大差异，紫花苜蓿叶片和根系对AMF和水分的响应规律不同。此外，AMF和根瘤菌的共同接种在一定的范围内对紫花苜蓿有协同增效效应，但此效应有一定的不确定性，受外源N、P浓度、菌种类型和宿主植物生长阶段等多个因素的影响。AMF降低了叶片的δ13C，相比之下，叶片δ15N对菌根的响应取决于土壤水分有效性。总之，本项目的开展旨在最终试图揭示在不同环境条件下AMF与宿主植物之间物质和能量交换的反馈关系，能够为进一步利用AMF的属性提高农业生态系统资源的高效利用提供科学依据。