韓 娟, 張向前, 趙金莉

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鉛脅迫下接種AM真菌對龍葵根際土壤微生物群落代謝特征的影響*

韓 娟, 張向前, 趙金莉**

(河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 保定 071002)

為從微生態(tài)角度探索接種AM真菌對鉛污染根際土壤微生物群落代謝特征的影響, 以摩西管柄囊霉()和幼套近明囊霉()為接種菌劑, 在溫室盆栽條件下以Pb4+含量為0 mg?kg-1、200 mg?kg-1、400 mg?kg-1和800 mg?kg-1土壤種植龍葵()10周后采集根際土壤, 采用Biolog微平板法測定龍葵根際土壤微生物群落的代謝變化。結(jié)果表明: 1)微生物平均代謝活性(AWCD)隨鉛濃度增加呈降—升—降趨勢; 接種AM真菌顯著提高了鉛脅迫下根際土壤微生物的AWCD值, 僅中濃度(400 mg?kg-1)下未達(dá)顯著差異。2)中濃度鉛處理能顯著提高根際土壤微生物對糖類及其衍生物、氨基酸類、脂肪酸和脂類及代謝產(chǎn)物類四大類碳源底物利用能力; 接種AM真菌, 高濃度(800 mg?kg-1)鉛處理顯著提高了根際土壤微生物對氨基酸類底物的利用能力。3)鉛脅迫下接種AM真菌提高了根際土壤微生物多樣性指數(shù), 在中濃度下豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)均達(dá)顯著水平。4)主成分分析顯示, 代謝產(chǎn)物類在PC1和PC2中種類最多, 分別為6種和4種; 糖類及其衍生物在PC3中種類最多(5種)。5)在鉛脅迫和接種AM真菌共同作用下, 微生物碳源利用主要受鉛濃度調(diào)節(jié), 并且二者對微生物碳源利用具有顯著交互效應(yīng)。綜上可知, 接種AM真菌能夠提高鉛脅迫下龍葵根際土壤微生物多樣性指數(shù), 增強(qiáng)根際土壤微生物對碳源底物的利用能力。該研究為進(jìn)一步探究AM真菌強(qiáng)化植物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)提供了依據(jù)。

AM真菌; 龍葵; 鉛脅迫; 根際土壤; 微生物代謝特征; Biolog-ECO微平板

全國土壤污染調(diào)查結(jié)果顯示, 我國土壤重金屬污染突出, 污染類型主要以鎘、鉛、銅、鋅等為主。目前, 全世界平均每年排放鉛約5×106t, 我國約有1.3×104hm2耕地受到鉛等重金屬嚴(yán)重污染, 致使糧食減產(chǎn)達(dá)1.0×107t[1]。土壤中鉛過量會使植物生長受到抑制[2], 影響植物光合作用和呼吸作用, 不利于植物對養(yǎng)分的吸收, 最終影響植物產(chǎn)量和質(zhì)量。傳統(tǒng)修復(fù)鉛污染土壤的方法不僅消耗成本高, 而且可能造成環(huán)境二次污染, 近年來興起的植物提取修復(fù)技術(shù)顯示出良好的應(yīng)用前景。但由于富集植物通常存在植株矮小、生長緩慢、生物量低等問題, 導(dǎo)致修復(fù)效率低、修復(fù)時間長[3]。土壤微生物不僅能促進(jìn)植物生長, 同時能利用其分泌的活性物質(zhì)改變重金屬形態(tài), 促進(jìn)植物對重金屬的吸收, 提高植物修復(fù)效率[4]。

AM(arbuscular mycorrhiza)真菌是自然界分布最廣的一類真菌, 能與陸地上80%以上植物根系建立共生關(guān)系[5]。重金屬污染條件下, AM真菌與植物根系形成的共生體能促進(jìn)植物對營養(yǎng)元素的吸收, 增強(qiáng)植物抗逆性[6]; 提高植物在重金屬污染土壤中的耐受能力, 減輕重金屬對植物體的毒害[7]; 調(diào)節(jié)植株對重金屬的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn), 使重金屬從土壤中高效移出, 實(shí)現(xiàn)生物修復(fù)[8-9]。研究證實(shí), 接種AM真菌顯著提高了萬壽菊()對鎘的吸收, 增加鎘向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)[10]。接種AM真菌促進(jìn)了翅莢木()對重金屬的吸收, 提高了翅莢木植株重金屬累積量[11]。近年來AM真菌強(qiáng)化植物修復(fù)的作用和機(jī)理研究成為生物修復(fù)的一個熱點(diǎn)領(lǐng)域[12]。但是, 目前圍繞AM真菌在重金屬污染土壤生物修復(fù)作用中的研究主要集中在對植物生理代謝的調(diào)控、物理性防御體系的形成、生化拮抗物質(zhì)的產(chǎn)生及基因表達(dá)的調(diào)控等方面, 而從根際土壤微生態(tài)角度的研究尚不多見。因此, 研究重金屬污染下AM真菌對超富集植物根際土壤微生物群落代謝特征的影響, 對于進(jìn)一步理解AM真菌強(qiáng)化植物聯(lián)合修復(fù)機(jī)理具有重要意義。

本試驗(yàn)以重金屬超富集植物龍葵()為研究對象, 在不同Pb4+濃度處理下接種AM真菌, 應(yīng)用Biolog-ECO方法對比分析根際土壤微生物代謝功能多樣性, 旨在深入理解AM真菌影響宿主植物吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和累積重金屬的作用機(jī)制, 為充分利用菌根生物技術(shù)強(qiáng)化植物修復(fù)重金屬污染土壤提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤采自河北省保定市郊區(qū)農(nóng)田, 其基本理化性質(zhì): 全氮0.89 g·kg-1, 全磷1.07 g·kg-1, 全鉀15.12 g·kg-1, 速效氮115.60 mg·kg-1, 速效磷24.48 mg·kg-1, 速效鉀348 mg·kg-1, 有機(jī)質(zhì)35.17 g·kg-1, 重金屬鉛含量為1.12 mg·kg-1(試驗(yàn)中忽略不計), pH 6.82。土壤采回后, 風(fēng)干, 過2 mm篩, 除去石塊、植物根系等雜物。各處理均以一定量Pb(CH3COO)2·3H2O溶液噴灑到土壤里, 充分混勻。放置四周后裝入花盆, 每盆3 kg土壤。

1.2 AM真菌

供試AM真菌為摩西管柄囊霉()和幼套近明囊霉()(北京市農(nóng)林科學(xué)院提供), 接種菌劑為經(jīng)玉米擴(kuò)繁后獲得含有孢子、菌絲和侵染根段的混合物[摩西管柄囊霉的孢子密度為40.8 個?(10g)-1(土), 幼套近明囊霉的孢子密度為34.8 個?(10g)-1(土)], 裝入柱狀尼龍袋, 放入花盆內(nèi)土壤的中間部位, 接種劑量為基質(zhì)重量的7%, 接種方法見圖1。

圖1 菌劑接種及播種方式

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)為雙因素試驗(yàn): 因素一為接菌處理, 包括接種AM真菌和未接種AM真菌; 因素二為Pb4+處理, 包括0 mg?kg-1(CK)、200 mg?kg-1(Pb1, 低濃度)、400 mg?kg-1(Pb2, 中濃度)、800 mg?kg-1(Pb3, 高濃度)4個Pb4+濃度[根據(jù)《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 15618－1995)設(shè)定Pb4+濃度]。共計8個處理, 即不接種AM真菌CK、Pb1、Pb2、Pb3和接種AM真菌AM+CK、AM+Pb1、AM+Pb2、AM+Pb3。每處理4個重復(fù)。

1.4 龍葵的培育及樣品采集

龍葵種子由北京市醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥用植物研究所提供。挑選大小一致飽滿的龍葵種子經(jīng)18 g?L-1稀HCl溶液室溫浸泡24 h[13], 用去離子水沖洗3次, 經(jīng)0.5% NaClO消毒20 min, 去離子水沖洗干凈, 取出擺放于濕濾紙上, 在25 ℃培養(yǎng)箱中暗培養(yǎng)48 h。挑選萌發(fā)一致的龍葵種子, 分別播種于不同處理的花盆內(nèi), 待幼苗出土后, 保留呈三角形分布的3株長勢一致的幼苗(圖1)。在光照16 h(28 ℃)、黑暗8 h(20 ℃)、光照強(qiáng)度為12 000 Lux的溫室中培養(yǎng)。10周后, 將龍葵根系從土壤中挖出, 慢慢抖掉與根系結(jié)合比較松散的土壤, 然后用滅菌鑷子刮取附著在根系上的薄層土壤作為根際土壤[14], 裝入自封袋, 4 ℃保存。

1.5 測試及計算方法

1.5.1 土壤微生物群落功能多樣性

采用(Biolog-ECO)生態(tài)板分析微生物群落代謝特征。稱取相當(dāng)于10 g干重的鮮土, 加入90 mL無菌生理鹽水, 振搖30 min, 靜置沉淀3~5 min, 100倍稀釋, 以每孔150 μL稀釋液加入微孔板中。接種好的微平板放到鋪有6層濕紗布的塑料飯盒中, 塑料飯盒用保鮮膜包裹, 保鮮膜扎若干個小孔, 以保證微生物培養(yǎng)所需氧氣, Biolog-ECO生態(tài)板在30 ℃恒溫箱避光培養(yǎng)。于培養(yǎng)1~10 d后同一時間在酶標(biāo)儀上讀取微孔溶液在590 nm和750 nm的吸光值。

1.5.2 土壤微生物代謝活性

描述土壤微生物代謝活性常用微孔中溶液平均顏色變化率(average well color development, AWCD)[14], 計算公式:

AWCD=∑(C-)(1)

式中:C為碳源微孔吸光值,為對照孔吸光值,為Biolog微平板上供試碳源種類(=31)。

1.5.3 土壤微生物多樣性指標(biāo)

豐富度指數(shù)(): 被利用碳源總數(shù)目, 即(C?R)>0.25的孔數(shù)。

Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(): 表征微生物群落中最常見物種的優(yōu)勢度。

=1-∑P2(2)

式中:P為第孔相對吸光值與整個平板相對吸光值總和的比率。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(): 反映微生物群落物種及其個體數(shù)。

=∑P×lnP (3)

Mclntosh均勻度指數(shù)(): 反映微生物群落中個體分布的均勻程度。

式中:n為第孔的相對吸光值(C-)。

1.5.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析, 獨(dú)立樣本檢驗(yàn)用于檢驗(yàn)單個培養(yǎng)時間條件下AWCD值和微生物多樣性指數(shù)在鉛處理之間的差異顯著性(<0.05)。重復(fù)測量數(shù)據(jù)方差分析用于評價AM真菌對鉛脅迫下根際微生物碳源利用和多樣性的影響。主成分分析和多變量方差分析用于比較碳源利用在不同處理之間的總體差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 AM真菌對鉛脅迫下龍葵根際土壤微生物利用碳源動力學(xué)特征的影響

AWCD反映土壤微生物群落對碳源利用的整體情況及利用活性。結(jié)果表明, 隨著培養(yǎng)時間延長, 微生物利用碳源的量逐漸增加, 24 h至96 h增長快速, 144 h后增長緩慢(圖2a-d)。與對照相比, 低濃度和高濃度鉛處理均降低了根際土壤微生物的AWCD, 中濃度鉛處理提高了AWCD(圖2b、2d、2c); 接種AM真菌明顯提高了根際土壤微生物代謝強(qiáng)度, 僅Pb4+濃度為400 mg·kg-1時未達(dá)顯著差異(<0.05)。方差分析結(jié)果表明, 鉛脅迫和接種AM真菌對龍葵根際微生物AWCD值均有顯著影響, 二者具有顯著交互效應(yīng)(表1,<0.05)。

圖2 接種AM真菌對鉛脅迫下龍葵根際土壤微生物平均顏色變化率(AWCD)的影響

CK: 未接種AM真菌, Pb4+為0 mg?kg-1; AM: 接種AM真菌; Pb1: Pb4+濃度為200 mg?kg-1(低濃度); Pb2: Pb4+濃度為400 mg?kg-1(中濃度); Pb3: Pb4+濃度為800 mg?kg-1(高濃度)。*和**分別表示在<0.05和<0.01水平差異顯著。CK: no AM with 0 mg?kg-1Pb4+; AM: inoculation of AM; Pb1: low Pb4+concentration(200 mg?kg-1); Pb2: medium Pb4+concentration (400 mg?kg-1); Pb3: high Pb4+concentration (800 mg?kg-1). * and ** mean significant difference at< 0.05 and< 0.01 levels, respectively.

表1 接種AM真菌和鉛脅迫對各測定指標(biāo)影響的方差分析

NS: 不顯著; *: 顯著水平為<0.05; **: 顯著水平為<0.01; ***: 顯著水平為<0.001。NS: no significant difference; *: significant difference at< 0.05; **: significant difference at< 0.01; ***: significant difference at< 0.001.

2.2 AM真菌對鉛脅迫下龍葵根際土壤微生物多樣性指數(shù)的影響

土壤微生物培養(yǎng)120 h時, 各處理間平均顏色變化率開始出現(xiàn)明顯差異, 本研究選取120 h的AWCD值分析根際土壤微生物群落多樣性。由表2可見, 鉛脅迫降低了根際土壤微生物群落的McIntosh均勻度指數(shù), 而對豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener 指數(shù)和Simpson指數(shù)無顯著影響(<0.05); 同一Pb4+濃度處理下, 接種AM真菌提高了根際土壤微生物多樣性指數(shù), 并且在中濃度下豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)均達(dá)到顯著水平(<0.05)。方差分析結(jié)果表明, AM真菌對多樣性指數(shù)均有顯著影響, 鉛處理只對McIntosh指數(shù)有顯著影響, 二者對McIntosh指數(shù)有顯著交互效應(yīng)(表1)。

表2 接種AM真菌對鉛脅迫下龍葵根際土壤微生物功能多樣性指數(shù)的影響

CK: 未接種AM真菌, Pb4+為0 mg?kg-1; AM: 接種AM真菌; Pb1: Pb4+濃度為200 mg?kg-1(低濃度); Pb2: Pb4+濃度為400 mg?kg-1(中濃度); Pb3: Pb4+濃度為800 mg?kg-1(高濃度)。同列不同小寫字母分別表示接種AM真菌或未接種AM真菌處理下不同Pb4+濃度間差異顯著(<0.05); 同列不同大寫字母表示同一Pb4+濃度下接種AM和不接種AM處理間差異顯著(<0.05)。CK: no AM with 0 mg?kg-1Pb4+; AM: inoculation of AM; Pb1: low Pb4+concentration (200 mg?kg-1); Pb2: medium Pb4+concentration (400 mg?kg-1); Pb3: high Pb4+concentration (800 mg?kg-1). Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among different concentrations of Pb4+at< 0.05. Different capital letters in the same column indicate significant differences between AM inoculation and no inoculation under the same Pb4+concentration at< 0.05.

2.3 AM真菌對鉛脅迫下龍葵根際土壤微生物碳源利用強(qiáng)度的影響

本試驗(yàn)以微生物對三大營養(yǎng)物質(zhì)代謝途徑為基本劃分原則, 將Biolog-Eco的31種碳源底物分為4大類: 糖類及其衍生物、氨基酸類、脂肪酸和脂類、代謝產(chǎn)物類。利用各處理培養(yǎng)120 h的AWCD值分析土壤微生物利用碳源能力(表3)。不接種AM真菌處理, 中濃度Pb4+(Pb2)增強(qiáng)了土壤微生物對碳源的利用能力, 且對糖類及其衍生物、代謝產(chǎn)物類代謝能力的變化達(dá)顯著水平(<0.05); 接種AM真菌條件下, 鉛處理降低了土壤微生物對碳源的代謝能力, 且對脂肪酸和脂類、代謝產(chǎn)物類代謝能力的變化達(dá)顯著水平, 但4大類碳源底物代謝能力在不同鉛濃度間無顯著差異(<0.05)。

表3 接種AM真菌對鉛脅迫下龍葵根際土壤微生物碳源利用強(qiáng)度的影響

CK: 未接種AM真菌, Pb4+為0 mg?kg-1; AM: 接種AM真菌; Pb1: Pb4+濃度為200 mg?kg-1(低濃度); Pb2: Pb4+濃度為400 mg?kg-1(中濃度); Pb3: Pb4+濃度為800 mg?kg-1(高濃度)。同列不同小寫字母分別表示接種AM真菌或未接種AM真菌處理下不同Pb4+濃度間差異顯著(<0.05); 同列不同大寫字母表示同一Pb4+濃度下接種AM和不接種AM處理間差異顯著(<0.05)。CK: no AM with 0 mg?kg-1Pb4+; AM: inoculation of AM; Pb1: low Pb4+concentration (200 mg?kg-1); Pb2: medium Pb4+concentration (400 mg?kg-1); Pb3: high Pb4+concentration (800 mg?kg-1). Different lowercase letters in the same column indicate significant differences among concentrations of Pb4+at< 0.05. Different capital letters in the same column indicate significant differences between AM inoculation and no inoculation under the same Pb4+concentration at< 0.05.

同一Pb4+濃度脅迫下, 接種AM真菌能增強(qiáng)土壤微生物對4大類碳源的代謝能力, 僅對氨基酸類影響顯著(<0.05)。方差分析結(jié)果表明, 接種AM真菌只對代謝產(chǎn)物類有顯著影響, 鉛處理對4類碳源都有顯著影響, 且二者對4類碳源的利用有顯著交互效應(yīng)(表1)。

2.4 龍葵根際土壤微生物群落代謝特征主成分分析

利用各處理培養(yǎng)120 h微生物群落對31種碳源代謝情況做主成分分析, 共提取6個主成分, 累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)98.38%。其中第1主成分(PC1)、第2主成分(PC2)和第３主成分(PC3)方差貢獻(xiàn)率分別為27.25%、24.15%和21.64%, 其余主成分貢獻(xiàn)率較小, 因此選取前3個主成分得分值繪圖(PC1為軸, PC2為軸, PC3為軸)。從圖3可見, 不同處理根際土壤微生物群落代謝特征存在明顯差異。無論接種AM真菌與否, 中濃度Pb4+(Pb2)處理均集中分布在平面上, 高(Pb3)、低(Pb1)濃度Pb4+處理集中分布在平面上; 無鉛處理接種AM真菌分布在平面上。說明微生物碳源利用主要受鉛濃度調(diào)節(jié), 無鉛脅迫下AM真菌起主導(dǎo)作用。

圖3 接種AM真菌和鉛脅迫下龍葵根際土壤微生物群落碳源代謝特征的主成分分析

CK: 未接種AM真菌, Pb4+為0 mg?kg-1; AM: 接種AM真菌; Pb1: Pb4+濃度為200 mg?kg-1(低濃度); Pb2: Pb4+濃度為400 mg?kg-1(中濃度); Pb3: Pb4+濃度為800 mg?kg-1(高濃度)。CK: no AM with 0 mg?kg-1Pb4+; AM: inoculation AM; Pb1: low Pb4+concentration (200 mg?kg-1); Pb2: medium Pb4+concentration (400 mg?kg-1); Pb3: high Pb4+concentration(800 mg?kg-1).

31種碳源主成分分析中的因子載荷可反映碳源利用的差異, 絕對值越大, 表明該基質(zhì)的影響越大, 在眾多碳源中起主要分異作用[15]。由表4可知, PC1中貢獻(xiàn)大的碳源(|載荷值|≥0.5)有14種(糖類及其衍生物5種, 氨基酸類1種, 脂肪酸和脂類2種, 代謝產(chǎn)物類6種); 對PC2貢獻(xiàn)大的碳源(|載荷值|≥0.5)有11種(糖類及其衍生物1種, 氨基酸類3種, 脂肪酸和脂類3種, 代謝產(chǎn)物類4種); PC3中貢獻(xiàn)大的碳源(|載荷值|≥0.5)有9種(糖類及其衍生物5種, 氨基酸類3種, 代謝產(chǎn)物類1種)。綜合分析, 糖類及其衍生物和代謝產(chǎn)物類碳源為各處理下微生物功能多樣性表現(xiàn)出差異的敏感碳源, 代謝產(chǎn)物類中的葡萄糖-1-磷酸鹽、4-羥基苯甲酸和D-蘋果酸, 在PC1和PC2載荷均達(dá)到0.5以上。

3 討論

平均顏色變化率(AWCD)是土壤微生物群落利用單一碳源能力的重要指標(biāo), 反映了土壤微生物利用碳源的能力和代謝活性的大小, 其值越高, 說明土壤微生物群落的代謝活性越強(qiáng)[16-17]。本研究結(jié)果表明, 不接種AM真菌時, 中濃度鉛處理的AWCD值明顯高于無鉛處理和低、高濃度鉛處理; 接種AM真菌后, 各鉛濃度處理的AWCD值均升高, 僅中濃度鉛處理未達(dá)顯著。說明根際土壤微生物群落對鉛脅迫有一個逐漸適應(yīng)的過程, 土壤環(huán)境受到鉛脅迫時, 土壤微生物為了維持生存可能需要更多能量, 從而使代謝活性增強(qiáng)[18], 當(dāng)鉛濃度超過某一閾值(400 mg·kg-1)時, 就會對土壤微生物造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷, 因而代謝活性逐漸降低; 接種AM真菌緩解了鉛脅迫對根際土壤微生物生存環(huán)境的影響, 有利于土壤微生物發(fā)揮其代謝功能, 表現(xiàn)出較高的碳源利用率和代謝多樣性。AM真菌根外菌絲、泡囊以及叢枝結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積, 對重金屬具有更強(qiáng)的生物吸附能力, 能夠固定更多重金屬, 同時AM真菌通過分泌球囊霉素相關(guān)土壤蛋白、低分子量有機(jī)酸等化合物與土壤中重金屬離子結(jié)合, 改變根際土壤重金屬形態(tài), 導(dǎo)致土壤中有效態(tài)重金屬含量下降, 提高了土壤對鉛的緩沖能力, 緩解了鉛的抑制作用, 使得土壤微生物活性以及碳源代謝能力有所恢復(fù)。Gadkar等[19]發(fā)現(xiàn), 高濃度重金屬脅迫下球囊霉素超表達(dá); 陳衛(wèi)莉等[20]的研究也表明, 鉛脅迫下接種AM真菌提高了土壤球囊霉素含量, 并且在含鉛、鋅的重污染土壤中, 球囊霉素相關(guān)蛋白優(yōu)先固定土壤中的鉛[21]。

表4 接種AM真菌和鉛脅迫下龍葵根際土壤微生物Biolog-ECO板上碳源利用的主成分載荷矩陣

土壤微生物Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)和McIntosh均勻度指數(shù)分別表征土壤微生物的豐富度、優(yōu)勢度和均勻度, 將3個指數(shù)結(jié)合可以反映土壤微生物群落的功能多樣性[22]。本研究中, 鉛處理顯著降低了根際土壤微生物群落的均勻度。房君佳等[23]也發(fā)現(xiàn), 水稻()田土壤中的鉛鋅尾礦砂通過抑制微生物生長, 造成水稻田土壤微生物群落結(jié)構(gòu)簡單。接種AM真菌顯著增加了低濃度(200 mg·kg-1)和中濃度(400 mg·kg-1)鉛處理下土壤微生物多樣性的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Simpson優(yōu)勢度指數(shù)值。分析認(rèn)為可能是由于接種AM真菌后, AM真菌使宿主植物根際土壤pH、根系分泌物等發(fā)生變化, 土壤pH的變化影響重金屬鉛的移動性和生物有效性, 而根系分泌物為根際微生物提供能源和光合產(chǎn)物。利用變性梯度凝膠電泳技術(shù)對生長在重金屬污染土壤上的牧豆樹()根際土壤細(xì)菌和菌根的小亞基RNA分析發(fā)現(xiàn), 接種AM真菌可以改變牧豆樹根際土壤微生物的群落結(jié)構(gòu), 增加細(xì)菌、AM真菌等的生物多樣性[24]。Nogueira等[25]研究表明, 接種AM真菌能顯著提高宿主植物根際土壤錳-氧化細(xì)菌數(shù)量, 抑制錳-還原細(xì)菌的生成, 導(dǎo)致對錳的還原能力降低, 減少植物對錳的吸收。

氮素是植物生長發(fā)育過程中必須的大量元素之一。周艷麗等[26]研究表明, 在重金屬鎘脅迫下, 水稻土壤溶液無機(jī)態(tài)氮含量顯著下降。本研究結(jié)果表明, 接種AM真菌顯著提高了高濃度鉛處理下土壤微生物對氨基酸類底物的利用能力。劉濤等[27]研究表明, 硝化抑制劑氯甲基吡啶隨尿素少量多次滴灌棉田后, 增加了土壤微生物的碳代謝強(qiáng)度、多樣性指數(shù)及豐富度指數(shù), 提高了土壤微生物對氨基酸及胺類的利用?？梢? 接種AM真菌顯著改變了根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu), 影響土壤微生物對氮素的轉(zhuǎn)化, 改善了土壤的微生態(tài)環(huán)境。

4 結(jié)論

鉛脅迫下接種AM真菌對超富集植物龍葵根際土壤微生物的影響隨Pb4+濃度的不同而發(fā)生變化。在中濃度(400 mg·kg-1)Pb4+處理下, 接種AM真菌能提高土壤微生物的AWCD值和對四大類碳源底物利用能力, 顯著增加了土壤微生物多樣性指數(shù)——豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Simpson優(yōu)勢度指數(shù)。糖類及其衍生物和代謝產(chǎn)物類碳源為不同處理下微生物功能多樣性表現(xiàn)差異的敏感碳源。

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Effect of arbuscular mycorrhizal fungi on metabolic characteristics of microbial community inrhizosphere soil with lead stress*

HAN Juan, ZHANG Xiangqian, ZHAO Jinli**

(College of Life Sciences, Hebei University, Baoding 071002, China)

Pot experiments were conducted to explore the effect of arbuscular mycorrhiza (AM) fungi on the characteristics and differences in rhizosphere soils ofunder different levels of lead stress [0 mg?kg-1(CK), 200 mg?kg-1, 400 mg?kg-1, 800 mg?kg-1). To this end,was inoculated withand, and the resulting rhizosphere soils collected after 10 weeks of growth under 16 h/8 h, 28 ℃/20 ℃with 12 000 Lux light intensity in a greenhouse. The characteristics and differences in carbon metabolic profiles of microbes were evaluated using the Biolog-ECO micro-plate method. The results showed that: 1) the average metabolic activity of microorganisms, described by average well color development (AWCD), decreased-increased-decreased with increasing lead stress. Inoculation with AM fungi improved AWCD significantly under lead stresses, except for 400 mg·kg-1Pb4+. 2) The ability of soil microbes to utilize the four types of carbon substrates (carbohydrate and derivatives, fatty acid and lipids, amino acids, and metabolites) was higher under 400 mg·kg-1Pb4+than under low (200 mg·kg-1) and high (800 mg·kg-1) stresses of Pb4+. Inoculation with AM fungi significantly improved the ability of soil microbes to utilize amino acid substrates under high lead concentration. 3) Lead stress reduced McIntosh evenness index of rhizosphere soil microbial community, but had no significant impact on richness index, Shannon-Wiener diversity index and Simpson index. Inoculation with AM fungi increased microbial diversity index under lead treatment, and had significant effects on Species richness index, Shannon-Wiener diversity index and Simpson dominance index at medium stress. 4) Under the same Pb4+stress, inoculation of AM fungi enhanced metabolic capacity of soil microorganisms for the four major carbon sources, but only had significant effect on amino acids. Principal component analysis showed that metabolites were the most abundant in PC1 and PC2, with respective values of 6 and 4. Sugar was the most abundant in PC3. 5) Under combined effects of lead stress and AM fungi, microbial carbon source utilization was mainly regulated by lead concentration, both had significant interaction effects on microbial carbon source utilization. In conclusion, inoculation with AM fungi increased microbial diversity index of rhizosphere soils ofunder lead stress, and enhanced utilization of carbon source substrate by rhizosphere soil microbes. This study provided theoretical basis for the application of AM fungi which could strengthen the use of phytoremediation technology in soil remediation for heavy metal pollution.

AM fungi;; Lead stress; Rhizosphere soil; Microbial metabolism characteristic; Biolog-ECO

, E-mail: plant@hbu.edu.cn

Nov. 29, 2018;

Dec. 5, 2018

10.13930/j.cnki.cjea.181036

S154.3

A

2096-6237(2019)04-0545-09

趙金莉, 主要從事土壤生態(tài)學(xué)方面的研究。E-mail: plant@hbu.edu.cn

韓娟, 主要從事菌根生物技術(shù)方面的研究。E-mail: junhan_hbu@126.com

2018-11-29

2018-12-05

* The study was supported by the Natural Science Foundation of Hebei Province (C2017201044) and the Student Innovation Training Project of Hebei University (2017126).

* 河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(C2017201044)和河北大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(2017126)資助

韓娟, 張向前, 趙金莉. 鉛脅迫下接種AM真菌對龍葵根際土壤微生物群落代謝特征的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(中英文), 2019, 27(4): 545-553

HAN J, ZHANG X Q, ZHAO J L. Effect of arbuscular mycorrhizal fungi on metabolic characteristics of microbial community inrhizosphere soil with lead stress[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2019, 27(4): 545-553