Ca2+、P對酸鋁脅迫后紫花苜?！鼍采w系的修復(fù)研究.pdf

1、酸性土壤在全世界分布廣泛，而且有不斷惡化的趨勢。酸性土壤中鋁離子從硅酸鹽礦物中游離出來會對植物和微生物造成毒害。對豆科植物而言，酸鋁毒害不僅影響宿主根尖生長、根瘤菌存活，還會影響二者共生結(jié)瘤過程。酸鋁毒害速度極快，一般在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就能夠引起植物根尖細(xì)胞受損和微生物個(gè)體死亡。所以，研究豆科植物-根瘤菌遭受酸鋁毒害后的修復(fù)/恢復(fù)對維持根瘤菌在酸鋁脅迫下生物固氮的可持續(xù)性具有一定意義。已有研究多通過向酸鋁土壤施加Ca2+、P可以緩解酸鋁毒害，

2、本研究則選擇紫花苜蓿及其耐酸根瘤菌91522為研究對象，研究在酸鋁毒害后施Ca2+、P對紫花苜蓿-根瘤菌體系共生、結(jié)瘤、固氮以及群體感應(yīng)等的恢復(fù)/修復(fù)效應(yīng)，初步評估少量補(bǔ)充Ca2+、P對酸鋁脅迫后苜蓿根瘤菌共生體系恢復(fù)/修復(fù)效果的實(shí)踐意義。通過研究，取得了以下結(jié)果:
　　 (1)純培養(yǎng)條件下，酸鋁脅迫將使根瘤菌的生長受到極大限制，對數(shù)期滯后，穩(wěn)定期到達(dá)延遲。補(bǔ)充不同濃度的Ca2+可以顯著提高根瘤菌的生長速率，對數(shù)期、穩(wěn)定期提前，

3、同時(shí)補(bǔ)充適當(dāng)?shù)腜素可進(jìn)一步提高耐酸根瘤菌的生長速率。一定的Ca2+濃度處理下，補(bǔ)充4μmol·L-1P處理對數(shù)期比對照的提前了4-6h;根瘤菌在pH5.0和Al3+濃度30μmol·L-1的液體YMA培養(yǎng)基上生長12h后死亡率達(dá)到75.9％，通過補(bǔ)充少量P素(4μmol·L-1)存活率比對照提高3.8％，補(bǔ)充5和10mmol·L-1Ca2+存活率顯著提高，分別達(dá)到35.3％和37.1％，而且高濃度Ca2+與低濃度差異不顯著，所以5mmo

4、l·U-1Ca2+即可達(dá)到顯著修復(fù)效果。鈣磷交互效應(yīng)顯著，在10mmol·L-1Ca2+處理下補(bǔ)充4μmol·L-1P根瘤菌存活率進(jìn)一步提高至38.6％;酸鋁脅迫下，培養(yǎng)基中根瘤菌群體感應(yīng)水平＜70MillerUnits，通過補(bǔ)充Ca2+5mmol·L-1和P30μmol·L-1處理能夠使培養(yǎng)基中群體感應(yīng)水平升高最多，達(dá)到120MillerUnits，該條件下S.meliloti91522自體誘導(dǎo)物的分泌顯著恢復(fù)和增加，修復(fù)和促進(jìn)苜蓿和

5、根瘤菌間的信息交流，為良好的結(jié)瘤提供保障。
　　 (2)酸鋁脅迫處理苜蓿幼苗12h后進(jìn)行鈣磷修復(fù)處理，對照處理中苜蓿初生根1d的伸長量不足3.3mm，不同濃度的P促進(jìn)了根尖伸長，但不顯著;補(bǔ)充5和10mmol·L-1Ca2+根尖伸長量顯著提高，分別達(dá)到19.7mm、14.3mm，有效緩解酸鋁毒害對根尖生長的抑制，但高濃度Ca2+并不利于苜蓿初生根的生長，Ca2+5mmol·L-1和P30μmol·L-1處理根尖恢復(fù)效果最好。

6、r>　　 (3)在受酸鋁毒害后，Ca2+對紫花苜蓿-根瘤菌結(jié)瘤過程有顯著的修復(fù)效應(yīng)，補(bǔ)充5、10mmol·L-1Ca2+條件下，根瘤菌群體感應(yīng)、根瘤固氮酶活性有顯著的提高;4μmol·L-1P素營養(yǎng)與Ca2+的上述促進(jìn)作用有交互效應(yīng)，而且該交互效應(yīng)導(dǎo)致苜?，F(xiàn)瘤時(shí)間較未經(jīng)修復(fù)處理的提前14天，結(jié)瘤總數(shù)提高了247.09％，結(jié)瘤率可達(dá)到90％，使根毛變形率由無Ca2+、P處理的3.33％提高到28.89％。Ca2+、P對結(jié)瘤動力學(xué)曲線影響

7、主要體現(xiàn)在Ca2+對同期結(jié)瘤數(shù)有顯著修復(fù)效果，并且這種修復(fù)從開始結(jié)瘤起就非常明顯，P素對結(jié)瘤數(shù)影響在Ca2+5mmol·L-1條件下較顯著;Ca2+對固氮酶活性有顯著提高作用，但高濃度Ca2+(10mmol·L-1)效果不如低濃度(5mmol·L-1)，同時(shí)4μmol·L-1P濃度可以進(jìn)一步提高固氮酶活性。本研究進(jìn)一步驗(yàn)證群體感應(yīng)強(qiáng)度在苜蓿根瘤菌共生過程中的重要意義，而且補(bǔ)充Ca2+、P能夠顯著提高酸鋁脅迫下根瘤菌自體誘導(dǎo)物(AHLs)

8、含量，即提高了根瘤菌的群體感應(yīng)水平，可能是Ca2+、P對紫花苜蓿-根瘤菌結(jié)瘤過程有顯著的修復(fù)效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理之一。
　　 (4)分室培養(yǎng)箱試驗(yàn)中，間接接種根瘤菌原位檢測根瘤菌在酸鋁脅迫土壤中的遷移定殖動態(tài)，施加5、10mmol·L-1Ca2+條件下，根瘤菌的遷移快于0mmol·L-1Ca2+處理，補(bǔ)充30μmol·L-1P對根瘤菌的遷移、繁殖有促進(jìn)作用。Ca2+、P存在交互作用，此試驗(yàn)條件下，酸性土壤中補(bǔ)充1mmol·kg-1Al

9、3+，增強(qiáng)了逆境脅迫條件，補(bǔ)充5mmol·L-1鈣和30μmol·L-1P可顯著提高苜蓿的存活、遷移能力及繁殖速度。從群體感應(yīng)這一化學(xué)行為角度出發(fā)，施加Ca2+、P后酸鋁脅迫下土壤中根瘤菌群體感應(yīng)強(qiáng)度得到顯著提高。整個(gè)培養(yǎng)時(shí)期，5mmol·L-1Ca2+和30μmol·L-1P處理下根瘤菌群體感應(yīng)一直處于較高水平，為良好的結(jié)瘤提供了保障。施加少量Ca2+、P能夠使土壤中速效P和交換性Ca2+有顯著提高，土壤交換性鹽基離子提高，一定程度上

10、抑制了土壤潛在酸的釋放。相關(guān)性分析表明，土壤交換性Ca2+與非根際土壤中根瘤菌數(shù)量顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.316(p=0.001)和0.363(p=0.004)，與土壤中交換性鋁有不顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。整個(gè)培養(yǎng)時(shí)期，非根際土壤和根際土壤中的根瘤菌數(shù)量顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.765(p=0.001)，非根際土壤和根際土壤中的根瘤菌群體感應(yīng)強(qiáng)度相關(guān)性極顯著，相關(guān)系數(shù)為0.919(p=0.000)，整個(gè)培養(yǎng)過程中群體感應(yīng)強(qiáng)度與根瘤菌數(shù)量呈

11、顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.335(p=0.007)。
　　 (5)通過在酸鋁毒害后的土壤中補(bǔ)充少量Ca2+、P(5mmol·L-1Ca2+、30μmol·L-1P)，能夠顯著地恢復(fù)毒害效應(yīng)，使紫花苜蓿結(jié)瘤數(shù)提高，生物量、株高、根長得到有效的提高。在酸鋁脅迫后，補(bǔ)充Ca2+、P能夠提高土壤中根瘤菌的數(shù)量，進(jìn)而提高結(jié)瘤數(shù)量。與對照相比，施加適當(dāng)濃度的Ca2+、P能夠有效提高土壤中微生物量，即微生物活性。同時(shí)根瘤菌群體感應(yīng)強(qiáng)度的提

12、高可能是結(jié)瘤固氮性能的重要保證，相關(guān)性分析表明，根瘤菌數(shù)量和群體感應(yīng)強(qiáng)度與苜蓿生物量顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.916(p=0.000)和0.847(p=0.000)，而且根瘤菌數(shù)量與群體感應(yīng)強(qiáng)度顯著相關(guān)，所以施加Ca2+、P提高了苜蓿根瘤菌的耐酸鋁能力，成為恢復(fù)效應(yīng)的重要原因。酸性土壤中施加過多的鈣不僅會抑制豆科植物的生長、結(jié)瘤固氮，而且會造成肥料浪費(fèi)。研究中除結(jié)瘤數(shù)外，5mmol·L-1Ca2+的處理對其他指標(biāo)的恢復(fù)效果均較10mm