水生植物与微生物相互作用对水体营养盐富集的响应研究

Eutrophication induced by nutrient enrichment in natural water bodies is a global challenge for humanity and has caused the degradation of the structure and function of aquatic ecosystems. Macrophyte and microorganism as the primary producer and the decomposer, respectively, are fundamental groups in the freshwater ecosystem and play a vital role in its health. Despite the numerous attempts to explore the independent response of macrophyte and microorganism to nutrient enrichment, an understanding is lacking in their collective behavior and mediation on the reaction and dynamics of each other across various trophic levels. In this project, we propose to fill this research gap using mesocosm systems designed to cover four trophic levels including oligo-, meso-, eutro-, and hyper- trophic states, and two widespread macrophyte species, Phragmites australis and Vallisneria spiralis, will be chosen. By fully factorial experiments with the combinations of different trophic levels and macrophyte, we aim to 1) reveal physiological and ecological characters of macrophyte at various trophic levels, and further explore the mechanism of their response to nutrient enrichment; 2) identify the microbial community structure and function across diverse trophic status using the Illumina-based metagenomic sequencing, and further elucidate the underlying cause of the change in the microbial community to the increased nutrient concentration; 3) address the specific process of macrophyte mediating the microbial community and its changing with different nutrient, and the principal influence factors and potential mechanisms in the interactions between macrophyte and microorganism, based on the comparative study of microbial community and physiological and ecological characters of macrophyte in different microcosms with and without macophyte present. By systematically answer the scientific questions above, this research will provide improved theoretical support for aquatic ecosystem protection and restoration.

水体营养盐富集导致水生态系统结构与功能的退化是目前全球面临的重大环境问题之一。水生植物和微生物分别作为水生态系统中主要初级生产者和分解者，生态关系极为密切，两者相互作用对维持水生态系统健康起着重要的作用。然而针对两者作用关系对水体营养盐累积的响应研究鲜有系统报道。为此，本研究选取水生植物常见种芦苇和苦草，基于中宇宙模拟系统，分析贫、中、富及重富营养状态下植物的生理生态特性，探讨水生植物对水体营养盐富集的响应及其机制；运用宏基因组测序技术解析不同营养状态下水体中微生物群落结构与功能，探明微生物群落对营养盐富集的响应及其机制；基于不同营养状态下有无植物生长系统的对比研究，阐明水生植物调控水体微生物群落的具体机制，以及营养盐富集对水生植物调控生态系统的影响，并揭示影响水生植物与微生物相互作用关系的主要因素及相应机制。研究成果将为有效保护水生态系统以及恢复重建退化生态系统结构与功能提供理论依据。

如何保护和维持现有水生态系统的结构与功能，恢复重建受损生态系统，促进水生态系统及其流域的经济、社会和环境的可持续发展已成为一个全球性的问题。生物之间相互作用关系及强度因能显著影响生态系统的结构和关键功能，除了作为生态学领域长期的研究热点，也逐渐受到生态系统保护和恢复研究者们的重视。水生植物和微生物分别作为水生态系统中主要初级生产者和有机物分解者，对于维持生态系统重要功能起着极其重要的作用，且两者之间具有密切的相互作用关系。然而，截至目前，针对淡水生态系统中水生植物与微生物之间非营养级相互作用关系以及非生物因子对其影响的相关研究极为缺乏。这将有碍于我们不较好地预测生态系统服务系统如何响应全球变化以及制定维持和恢复生态系统功能的相关政策和措施。因此，本项目以沉水植物金鱼藻和挺水植物芦苇为研究对象，基于中宇宙模拟系统全面解析不同营养状态植物的生理生态特性以及细菌微生物群落动态，探讨水生植物和水体微生物对水体营养盐富集的响应及其机制，揭示影响水生植物与微生物相互作用关系的主要因素及相应机制.研究结果表明，富营养系统沉水植物金鱼藻生物量和浮游异养细菌数量均显著高于中营养系统。与无植物生长的对照系统对比，富营养系统金鱼藻的生长显著抑制了水体中浮游异养细菌的生长，而中营养条件下金鱼藻对浮游异养细菌则有一定的促进作用但不显著。水体氮磷营养盐富集可导致金鱼藻与浮游异养细菌由正相互作用转为负相互作用。此外，沉水植物能够影响上覆水和沉积物中细菌微生物的群落结构和组成，但对上覆水中的微生物菌群影响更为显著。.针对芦苇的研究表明，芦苇总生物量均随营养盐浓度升高显著增加，且营养盐浓度升高延缓了芦苇的衰败。营养盐累积能够显著影响植物体不同部位生理生态特征。芦苇不同部位不同结构性碳水化合物以及非结构性碳水化合物含量对营养盐富集的响应存在差异。芦苇地上部分茎和叶响应程度强于地下部分根和根茎。这些结果表明营养盐富集改变了芦苇的生长策略。.我们的研究证明水生态系统稳定性因营养盐过度富集而降低，并为如何更好地保护和恢复水生态系统提供一定的理论依据。