錢 琛,范偉國,曹 琪,楊洪強(qiáng)

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝科學(xué)與工程學(xué)院/作物生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 泰安 271018)

殼聚糖(chitosan)是幾丁質(zhì)脫乙?；漠a(chǎn)物,為自然界中僅次于纖維素的第二大生物聚合物。殼聚糖有獨(dú)特的多糖分子結(jié)構(gòu)、良好的生物兼容性[1],其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,無毒無害,對環(huán)境污染小,而且自然環(huán)境中有大量甲殼素降解酶,便于殼聚糖的生物降解[2]。殼聚糖作為植物生長調(diào)節(jié)劑,可改善土壤結(jié)構(gòu),加快土壤中微生物的繁殖速度,增加土壤礦質(zhì)氮、磷、鉀含量[3],促進(jìn)植物對養(yǎng)分的吸收,增加植物生物量[4-5],促進(jìn)蔬菜和農(nóng)作物植株的生長[6-7]。殼聚糖還能改善植株根系組成,從而提高根系的吸收和合成能力[8-9]。

根際微生物是土壤環(huán)境中最活躍的組分,在生態(tài)微循環(huán)中起重要作用,并參與眾多的生物化學(xué)反應(yīng)[10],如參與碳固存和養(yǎng)分循環(huán)等[11]。植物根系和土壤微生物之間相互作用而形成植物-微生物共生體[12],如根瘤菌、菌根真菌等。這些共生體的相互作用增加了土壤養(yǎng)分供應(yīng),促進(jìn)植物對養(yǎng)分的吸收利用[13]。反過來,植物也為土壤微生物提供根系分泌物等次生物質(zhì),通過改變土壤結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì),與根際微生物共同作用降解土壤中磷酸鹽等難溶性鹽類,提高養(yǎng)分利用效率[14]。土壤微生物可增強(qiáng)土壤酶活性,豐富的微生物種群可促進(jìn)有機(jī)化合物的分解,維護(hù)和調(diào)節(jié)物質(zhì)與能量的傳輸、運(yùn)送等過程[15]。

根際微生物群落特征與植物種類密切相關(guān),不同植被類型的根際土壤細(xì)菌豐度有很大不同[16]。王曉娜等[17]發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)基因蘋果根際酸桿菌門、子囊菌門豐度較野生型更高,放線菌門、球囊菌門豐度則較低。蘋果砧木不同,其根際生態(tài)系統(tǒng)有很大差異。研究發(fā)現(xiàn),同為蘋果砧木的平邑甜茶(Malushupehensis)根際細(xì)菌群落分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模與復(fù)雜性明顯大于M9T337砧木[18]。

果園土壤改良劑也會(huì)影響根際土壤微生物類群[19]。根施殼聚糖可改善番茄根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)[20]。殼聚糖富含碳源,可以促進(jìn)能夠分解利用殼聚糖的細(xì)菌生長,而原有細(xì)菌受到競爭抑制,在一定程度上使細(xì)菌豐富度和多樣性降低[21];殼聚糖類物質(zhì)還對多種病原真菌有良好抑制效果,可以有效抑制多種細(xì)菌和真菌的繁殖生長[22],可致使馬鈴薯和番茄真菌病原鐮刀菌孢子死亡[23]。采用殼聚糖處理3種不同屬植物土壤后,苗圃土壤中放線菌類的數(shù)量和菌絲體長度都有不同程度增加,其他病源微生物生長也得到抑制[24]。關(guān)于殼聚糖與蘋果根際微生物的相關(guān)研究還有待深入。

筆者研究施加殼聚糖后,富士蘋果幼樹根系和地上部生長以及根際土壤細(xì)菌群落多樣性的變化特征,為根際微生態(tài)環(huán)境的營造和養(yǎng)分高效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2021年3月至2022年3月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)南校實(shí)驗(yàn)站國家蘋果實(shí)驗(yàn)中心和山東省高校果樹重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

選用長勢一致的2年生“煙富3”蘋果幼樹,于3月12日定植于盆中。每盆定植1株,樹高定干至70 cm,莖粗1.2～1.5 cm。分別以平邑甜茶和八棱海棠(Malusrobusta)為嫁接砧木。試驗(yàn)用盆的盆口內(nèi)直徑28 cm、高30 cm,每盆裝干土10 kg。試驗(yàn)用栽培土按照壤土、河砂、有機(jī)肥體積比為3∶1∶1配制。土壤pH值為7.11,有機(jī)質(zhì)w為1.7%,堿解氮、速效磷、速效鉀含量分別為47.51、101.12、74.56 mg·kg-1。試驗(yàn)期間蘋果幼樹進(jìn)行統(tǒng)一日常管理。

試驗(yàn)用殼聚糖為麥克林公司生產(chǎn),脫乙酰度w≥95%,黏度為100～200 mPa·s。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021年4月1日進(jìn)行殼聚糖根施處理。試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)殼聚糖濃度,分別為0 (CK)、20、30、50 mg·kg-1,并設(shè)置平邑甜茶和八棱海棠2種砧木,共計(jì)8個(gè)處理。殼聚糖施用時(shí),先分別用少量的冰醋酸溶解,然后稀釋加水定容至1 000 mL,分別澆施于蘋果幼樹根部,對照澆施等量清水。每6盆為一個(gè)處理,每個(gè)處理重復(fù)3次,試驗(yàn)期間所有處理管理保持一致。

處理80 d時(shí)取樣進(jìn)行細(xì)菌16S rRNA高通量測序,測序由上海派森諾生物科技有限公司進(jìn)行。在高通量取樣時(shí)測定不同砧木蘋果幼樹根構(gòu)型參數(shù)、根活力等指標(biāo)。9月測定新梢和根干重等生長指標(biāo)。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)測定

1.3.1土壤樣品采集與測定

根際土壤取樣時(shí),用無菌鏟清理盆栽表層土壤后,挖取根系并抖落大顆粒土壤,用無菌毛刷沿根系表面刷落附著的土壤,用無菌自封袋置于冰盒保存并立刻帶回實(shí)驗(yàn)室。每盆多點(diǎn)取混合樣,帶回的土樣分成2份,一部分在-80 °C冰箱保存供高通量測序使用;另一部分土樣風(fēng)干,供測定土壤速效養(yǎng)分使用。土壤有機(jī)質(zhì)含量用恒溫水浴法測定,堿解氮含量用堿解擴(kuò)散法測定,速效磷含量用NaHCO3法測定,速效鉀含量用火焰分光光度法測定[25]28-33。

1.3.2土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)多樣性測定

土壤總DNA用E.Z.N.A.?土壤DNA試劑盒提取,并用瓊脂糖凝膠電泳檢測提取DNA的純度和濃度。選擇細(xì)菌V3-V4區(qū)的16S rDNA序列進(jìn)行PCR擴(kuò)增,擴(kuò)增引物為338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)。反應(yīng)體系為:SYBR?Premix Ex Taq TM(2×) 10 μL、Forward Primer (10 μmol·L-1) 0.4 μL、Reverse Primer (10 μmol·L-1) 0.4 μL、DNA模板1 μL與ddH2O 8.2 μL,總體積20 μL。

1.3.3蘋果植株生長參數(shù)測定

根構(gòu)型參數(shù)采用ScanMaker i800 Plus根系掃描儀測定,采用WinRhizo根系分析軟件分析根系總長度、表面積、平均直徑和體積等根構(gòu)型參數(shù)。新梢粗度用游標(biāo)卡尺測定,長度用米尺測定。地上部和根干重用1/100電子天平稱量,80 ℃干燥箱烘干至恒重。蘋果幼樹根系活力采用TTC法測定[25]28-33。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)用SPSS 2.0軟件進(jìn)行隨機(jī)單因素方差分析,采用Duncan氏新復(fù)極差法(SSR法)進(jìn)行多重比較(P<0.05)。用Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制;物種豐度圖、UPGMA聚類分析圖和冗余分析圖均通過在線平臺(tái)(https:∥www.Genescloud.cn/home)繪制;Chao1指數(shù)、Shannon指數(shù)、Pielou-e指數(shù)和ASVs豐度指數(shù)圖利用Origin 2022軟件繪制;差異菌屬豐度圖用STAMP軟件繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 殼聚糖對蘋果幼樹生長和根構(gòu)型的影響

2.1.1對生長及干物重的影響

由表1可知,根施殼聚糖明顯促進(jìn)了蘋果幼樹的生長,特別是對根系生長的影響更明顯,其地上部干重、根干重、根冠比及新梢長度與粗度較對照均有不同程度提高。中、高濃度(30和50 mg·kg-1)殼聚糖對蘋果幼樹生長量的影響大于低濃度處理,但不同濃度對蘋果生長的影響差異不明顯。殼聚糖對平邑甜茶嫁接蘋果幼樹地上部生長的促進(jìn)作用大于八棱海棠嫁接蘋果幼樹,而對平邑甜茶嫁接蘋果幼樹根系生長的促進(jìn)作用小于八棱海棠嫁接蘋果幼樹。

表1 殼聚糖對蘋果幼樹干物重及新梢生長的影響

2.1.2對根構(gòu)型的影響

由表2可知,不同濃度殼聚糖均增加了平邑甜茶和八棱海棠嫁接蘋果幼樹根系總長度、表面積、體積及根尖數(shù),而對根系直徑的影響不明顯,形成了以增加根長和根尖數(shù)為特征的新根構(gòu)型。根長的變化引起根總表面積和根系總體積的改變,這些改變將會(huì)影響根系對土壤養(yǎng)分的吸收以及根分泌,進(jìn)而影響土壤微生物種群數(shù)量、種類及構(gòu)成等。

表2 殼聚糖對蘋果幼樹根構(gòu)型參數(shù)的影響

2.1.3對根活力的影響

如圖1所示,殼聚糖提高了蘋果幼樹的根活力,中、高濃度殼聚糖處理的效果更顯著;同濃度殼聚糖處理下,平邑甜茶稼接蘋果幼樹的根活力高于八棱海棠稼接蘋果幼樹。其中,殼聚糖為 30 mg·kg-1處理下,平邑甜茶和八棱海棠嫁接蘋果幼樹的根活力比對照分別提高17.53%、29.94%。根施殼聚糖能提高蘋果幼樹的主動(dòng)吸收能力,而對不同砧木的影響有一定差異。

MH—平邑甜茶嫁接蘋果幼樹;MR—八棱海棠嫁接蘋果幼樹。

2.2 殼聚糖對蘋果幼樹根際土壤特性的影響

由表3可知,不同濃度殼聚糖對蘋果幼樹根際土壤pH值的影響差異不顯著。殼聚糖可提高平邑甜茶嫁接蘋果幼樹根際土壤有機(jī)質(zhì)含量,而對八棱海棠嫁接蘋果幼樹的根際土壤有機(jī)質(zhì)影響不明顯。中、高濃度殼聚糖處理增加了蘋果幼樹根際土壤堿解氮、速效磷及速效鉀含量,其中殼聚糖為30 mg·kg-1處理的效果最明顯。

表3 殼聚糖對蘋果幼樹根際土壤理化性質(zhì)的影響

2.3 殼聚糖對蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌多樣性的影響

2.3.1對OTU數(shù)的影響

由圖2可知,殼聚糖處理降低了蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌OTU數(shù),但高濃度(50 mg·kg-1)處理的特有菌屬相比中、低濃度(20 和30 mg·kg-1)處理增加。高濃度殼聚糖處理的平邑甜茶嫁接蘋果幼樹根際土壤菌屬數(shù)量相比中、低濃度處理增加,并且特有菌屬數(shù)量相比對照增加,而中、低濃度處理的平邑甜茶嫁接蘋果幼樹根際土壤特有菌屬減少;不同濃度殼聚糖處理的八棱海棠嫁接蘋果幼樹根際土壤特有菌屬相比對照均有所減少,但不同濃度處理之間差異不明顯。這表明根施殼聚糖對菌群數(shù)量有一定抑制作用,但高濃度處理的特有菌群數(shù)量更加豐富。試驗(yàn)濃度范圍內(nèi),不同濃度殼聚糖處理對平邑甜茶嫁接蘋果幼樹根際土壤菌群的影響比八棱海棠嫁接蘋果幼樹更大,低濃度處理的抑制作用更明顯,平邑甜茶砧木根際土壤細(xì)菌對殼聚糖的施用更敏感。

圖中數(shù)字表示OTU數(shù);cts0、cts20、cts30、cts50分別表示0、20、30、50 mg·kg-1殼聚糖處理。

2.3.2對α多樣性的影響

如圖3所示,除高濃度殼聚糖處理的平邑甜茶嫁接蘋果幼樹外,其余處理蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌的ASVs豐度和Chao1指數(shù)均比對照明顯降低。中低濃度殼聚糖處理下,平邑甜茶嫁接蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌的Shannon和Pielou-e指數(shù)均比對照明顯下降,而高濃度處理比對照明顯增加。結(jié)果顯示,中、低濃度殼聚糖對蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌豐度和多樣性有一定抑制作用,而高濃度殼聚糖對平邑甜茶嫁接蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌多樣性有一定促進(jìn)作用。

MH-0、MH-20、MH-30、MH-50表示平邑甜茶嫁接蘋果幼樹,且殼聚糖含量分別為0、20、30、50 mg·kg-1;MR-0、MR-20、MR-30、MR-50表示八棱海棠嫁接蘋果幼樹,且殼聚糖含量分別為0、20、30、50 mg·kg-1。

總體來看,根施殼聚糖處理下,八棱海棠嫁接蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌種群多樣性和豐度的變異比平邑甜茶嫁接蘋果幼樹小,相對穩(wěn)定;而平邑甜茶嫁接蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌多樣性和豐富度變異較大,且隨殼聚糖濃度增加而明顯增大(圖3)。

2.3.3對β多樣性的影響

圖4顯示,施用不同濃度殼聚糖的平邑甜茶嫁接蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌的組內(nèi)差異較小,組間差異明顯。高濃度殼聚糖處理與對照差異顯著,表明高濃度殼聚糖對以平邑甜茶為砧木的蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響更大。不同濃度殼聚糖處理的八棱海棠嫁接蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌的組內(nèi)、組間差異均較大。其中,中等濃度(30 mg·kg-1)殼聚糖處理與對照有明顯差異,表明中等濃度殼聚糖對以八棱海棠為砧木的蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的重構(gòu)有明顯影響。

cts0、cts20、cts30、cts50分別表示0、20、30、50 mg·kg-1殼聚糖處理;MH1、MH2、MH3分別表示平邑甜茶嫁接蘋果幼樹的3個(gè)重復(fù)樣本;MR1、MR2、MR3分別表示八棱海棠嫁接蘋果幼樹的3個(gè)重復(fù)樣本。

2.4 殼聚糖對不同砧木蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌相對豐度的影響

2.4.1對優(yōu)勢細(xì)菌門相對豐度的影響

選擇蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌豐度前10的菌門構(gòu)建相對豐度圖(圖5),占比前5的優(yōu)勢菌門依次為放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、厚壁菌門(Firmicutes)和酸桿菌門(Acidobacteria),以上5個(gè)菌門占細(xì)菌總量的95%以上。放線菌門是蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌豐度最高的菌門,這與多地盛果期蘋果(平邑甜茶嫁接)生產(chǎn)園的調(diào)查結(jié)果基本一致。其中,平邑甜茶嫁接蘋果幼樹根際土壤放線菌門占比為64.77%～81.81%,八棱海棠嫁接蘋果幼樹則為39.75%～62.15%。平邑甜茶砧木的放線菌門和厚壁菌門占比高于八棱海棠砧木,而八棱海棠砧木的變形菌門、綠彎菌門及芽單胞菌門占比大于平邑甜茶砧木。

MH-0、MH-20、MH-30、MH-50表示平邑甜茶嫁接蘋果幼樹,且殼聚糖含量分別為0、20、30、50 mg·kg-1;MR-0、MR-20、MR-30、MR-50表示八棱海棠嫁接蘋果幼樹,且殼聚糖含量分別為0、20、30、50 mg·kg-1。

低濃度(20 mg·kg-1)殼聚糖處理提高了2種砧木蘋果幼樹根際土壤放線菌的相對豐度(圖5)。低濃度殼聚糖處理降低了平邑甜茶嫁接蘋果幼樹根際土壤變形菌門、綠彎菌門、厚壁菌門、酸桿菌門、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)及擬桿菌門(Bacteroidetes)等的相對豐度。即低濃度殼聚糖處理促使放線菌門等優(yōu)勢菌門增強(qiáng),而菌落豐度和多樣性降低。高濃度殼聚糖提高了變形菌門的相對豐度,降低了放線菌門、綠彎菌門、厚壁菌門、酸桿菌門等的相對豐度,對菌落豐度及多樣性有一定影響。

圖5顯示,低濃度殼聚糖提高了八棱海棠嫁接蘋果幼樹根際土壤綠彎菌門、厚壁菌門、酸桿菌門及擬桿菌門等的相對豐度,降低了變形菌門等的相對豐度;高濃度殼聚糖提高了放線菌門、酸桿菌門等的相對豐度,降低了變形菌門、綠彎菌門、厚壁菌門等的相對豐度,對根際土壤菌落多樣性變化有一定影響;中等濃度殼聚糖(30 mg·kg-1)降低了放線菌門等的相對豐度,提高了變形菌門、綠彎菌門、酸桿菌門等的相對豐度,因此對菌落豐度和多樣性變化影響最大。不同濃度殼聚糖處理對蘋果幼樹根際土壤的細(xì)菌豐度有不同影響,可能與其對多種致病菌等有害菌屬有抑制作用有關(guān)。

2.4.2對優(yōu)勢細(xì)菌屬相對豐度的影響

根施殼聚糖引起了平邑甜茶和八棱海棠2種砧木蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌的變化,對豐度前10的菌門、綱、屬水平進(jìn)行差異分析,結(jié)果見圖6。高濃度殼聚糖處理對平邑甜茶和八棱海棠嫁接蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌群落構(gòu)成的影響最大,其他濃度殼聚糖處理對2種砧木根際細(xì)菌也有一定影響。其中,根施高濃度殼聚糖條件下,與八棱海棠砧木相比,平邑甜茶砧木的根際土壤諾卡菌屬(Nocardioides)、海藻球菌屬(Phycicoccus)、鞘氨醇單胞菌屬(Lysobacter)相對豐度顯著升高,酸桿菌門(Acidobacteria)、硝化螺旋菌門(Nitrospirae)、δ-變形菌綱(Deltaproteobacteria)和MND1屬相對豐度明顯降低。中濃度殼聚糖處理下,與八棱海棠砧木相比,平邑甜茶砧木根際土壤細(xì)菌中的類芽孢八疊球菌屬(Paenisporosarcina)相對豐度明顯增大,芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、疣微菌門(Verrucomicrobia)和Subgroup_6屬相對豐度顯著降低(圖6)。

MH-0、MH-20、MH-30、MH-50表示平邑甜茶嫁接蘋果幼樹,且殼聚糖含量分別為0、20、30、50 mg·kg-1;MR-0、MR-20、MR-30、MR-50表示八棱海棠嫁接蘋果幼樹,且殼聚糖含量分別為0、20、30、50 mg·kg-1。

2.4.3殼聚糖濃度對蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌相對豐度的影響

對豐度前10的菌門、綱和屬水平進(jìn)行差異分析,高濃度殼聚糖處理的平邑甜茶嫁接蘋果幼樹根際土壤中的芽孢桿菌綱(Bacill)、Subgroup_6屬、類芽孢八疊球菌屬(Paenisporosarcina)、擬節(jié)桿菌屬(Paenarthrobacter)和芽孢桿菌屬(Bacillus)相對豐度明顯降低,而變形菌門(Proteobacteria)、γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)、溶桿菌屬(Lysobacter)和假黃色單胞菌屬(Pseudoxanthomonas)相對豐度顯著增大。低濃度殼聚糖處理的平邑甜茶稼接蘋果幼樹根際土壤中的厭氧繩菌綱(Anaerolineae)、酸微菌綱(Acidimicrobiia)及Bauldia屬相對豐度比對照明顯降低。中濃度處理平邑甜茶稼接蘋果幼樹根際土壤中的的芽孢桿菌綱(Bacilli)、類芽孢八疊球菌屬(Paenisporosarcina)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、厚壁菌門(Firmicutes)相對豐度明顯增大;Subgroup_6屬、芽單孢菌門(Gemmatimonadetes)、嗜熱油菌綱(Thermoleophilia)、KD4-96、酸微菌綱(Acidimicrobiia)、Bauldia屬等相對豐度則顯著下降。低濃度殼聚糖處理的八棱海棠嫁接蘋果幼樹根際土壤中的δ-變形菌綱(Deltaproteobacteria)和分枝桿菌屬(Mycobacterium)相對豐度明顯增大,而單胞菌門(Arenimonas)與鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas)相對豐度顯著降低。中濃度殼聚糖處理下,與對照相比,八棱海棠嫁接蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌δ-變形菌綱(Deltaproteobacteria)、噬氫菌屬(Hydrogenophaga)和分枝桿菌屬(Mycobacterium)相對豐度明顯增大。高濃度殼聚糖處理的八棱海棠嫁接蘋果幼樹根際土壤中的δ-變形菌綱(Deltaproteobacteria)、MND1、噬氫菌屬(Hydrogenophaga)、擬桿菌門(Bacteroidetes)相對豐度比對照明顯增大,而溶桿菌屬(Lysobacter)、α-變形菌綱(Alphaproteobacteria)、鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas)相對豐度明顯降低(圖7)。不同濃度殼聚糖改變了根際土壤細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu),使部分特異菌屬選擇性富集。

MH-0、MH-20、MH-30、MH-50表示平邑甜茶嫁接蘋果幼樹,且殼聚糖含量分別為0、20、30、50 mg·kg-1;MR-0、MR-20、MR-30、MR-50表示八棱海棠嫁接蘋果幼樹,且殼聚糖含量分別為0、20、30、50 mg·kg-1。

綜上可知,殼聚糖處理的蘋果幼樹根際細(xì)菌種群總量和特色菌總量下降,但δ-變形菌綱明顯增加。高濃度殼聚糖對變形菌門種群數(shù)量、菌屬構(gòu)成影響最大。不同濃度殼聚糖對不同砧木根際土壤菌群豐度、構(gòu)成及多樣性的影響有較大區(qū)別。中、低濃度殼聚糖對蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌種群數(shù)量、特色菌數(shù)量及豐度等均有一定抑制作用,這可能與殼聚糖抑制土壤病菌菌群有關(guān)。

2.5 蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌與根構(gòu)型參數(shù)、根活力的RDA分析

土壤微生物種群豐度受多種因子調(diào)控,選用豐度前5的菌門與根活力、各根構(gòu)型參數(shù)進(jìn)行RDA分析(圖8)。平邑甜茶嫁接蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌的放線菌門豐度與根系長度呈正相關(guān),與根系體積、根系表面積、根系平均直徑呈顯著負(fù)相關(guān);而變形菌門豐度與根系表面積、根系體積、根系長度和根系活力呈顯著正相關(guān),與根尖數(shù)呈負(fù)相關(guān)。八棱海棠稼接蘋果幼樹根系土壤的放線菌門豐度與根系長度、根尖數(shù)呈正相關(guān),與根系體積、根系活力、根系平均直徑均呈負(fù)相關(guān)性;綠彎菌門豐度與根尖數(shù)呈負(fù)相關(guān),與根系長度、表面積、體積、平均直徑、根系活力均呈顯著正相關(guān)?？梢?蘋果幼樹根構(gòu)型參數(shù)的變化及根活力與放線菌門、變形菌門及綠彎菌門等根際細(xì)菌門水平豐度的改變有顯著相關(guān)性。

3 討論

3.1 果樹根際生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的形成及殼聚糖調(diào)控

果樹根際環(huán)境中,微生物群落、果樹根系及土壤環(huán)境因子三者間是一個(gè)完整的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)體系,其相互調(diào)控、相互影響,形成一個(gè)相對穩(wěn)定的生態(tài)循環(huán)系統(tǒng),必會(huì)影響果樹的生長發(fā)育,施用殼聚糖等外源物質(zhì)可以改變和調(diào)控這個(gè)生態(tài)微循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行。根施殼聚糖增加了蘋果幼樹根系總長度與根尖數(shù)等關(guān)鍵參數(shù),根長的變化引起根系總表面積和根系總體積發(fā)生改變,形成了以增加根長和根尖數(shù)為特征的新根構(gòu)型。根構(gòu)型的這些變化會(huì)使果樹根系對土壤養(yǎng)分的吸收利用、根分泌等發(fā)生相應(yīng)改變,能明顯影響微生物群落的結(jié)構(gòu),不同根系形態(tài)特征對根際微生物群落的影響有一定差異[26]。相關(guān)性分析也證實(shí)這些根構(gòu)型參數(shù)與放線菌門等密切相關(guān)。根構(gòu)型參數(shù)的變化以及根活力的增強(qiáng)極大促進(jìn)了蘋果根系對土壤中養(yǎng)分的主動(dòng)和被動(dòng)吸收利用能力,同時(shí)也會(huì)引起根際土壤養(yǎng)分濃度的波動(dòng)。由于土壤養(yǎng)分、根系分泌物等根系代謝物與微生物之間密切相關(guān)[14],土壤環(huán)境的這些變化會(huì)引起土壤微生物種群數(shù)量、種類及構(gòu)成等發(fā)生適應(yīng)性改變。同時(shí),殼聚糖促進(jìn)一些有益菌群的生長并抑制部分有害或致病菌群的繁殖[22-24],從而引起根際微生物種群數(shù)量、豐度及構(gòu)成等改變,形成新的微生物群落結(jié)構(gòu),導(dǎo)致土壤相關(guān)酶活性改變,活化土壤中養(yǎng)分,增加土壤有效養(yǎng)分含量,利于根系對養(yǎng)分的吸收,促進(jìn)植株的生長發(fā)育。試驗(yàn)中,根施殼聚糖的蘋果幼樹地上部和根系干物重明顯增加,新梢加粗和加長較快,但不同砧木的響應(yīng)有較大差異,總體來看對根系的影響要明顯大于地上部。

根施殼聚糖對根構(gòu)型的影響應(yīng)該是一個(gè)中長期的調(diào)控機(jī)制,可保證根際微生物保持較長期的相對穩(wěn)定,促進(jìn)果樹的生長發(fā)育;同時(shí)也會(huì)有一個(gè)短期的調(diào)控,主要引起根活力、根吸收速率、根酶活性等的變化,影響根系對養(yǎng)分的吸收。殼聚糖可以顯著提高蘋果根際多種土壤酶活性以及根系短期內(nèi)的吸收速率[27]。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),根施殼聚糖的平邑甜茶和八棱海棠嫁接蘋果幼樹根際土壤的養(yǎng)分含量、酶活性均有不同程度提高。

3.2 殼聚糖對蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌多樣性的影響

試驗(yàn)結(jié)果顯示,蘋果幼樹根際細(xì)菌種群特征是以放線菌門和變形菌門為最大優(yōu)勢種群,放線菌門因其形態(tài)多樣及生理活性豐富,能產(chǎn)生種類繁多的胞外酶和次生代謝產(chǎn)物,在生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要的角色;變形菌門中細(xì)菌物種對氮供應(yīng)較為敏感,在硝化、反硝化和N2固定等氮循環(huán)中起主要作用。殼聚糖對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有定向調(diào)控作用[20-21],促使殼聚糖分解的細(xì)菌優(yōu)先生長,原有細(xì)菌生長受到抑制,從而改變細(xì)菌豐富度,降低細(xì)菌多樣性[21],進(jìn)而改變蘋果植株根際細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu),其他一些作物上的研究也有類似情況[20,22]。殼聚糖對不同砧木根際土壤菌群豐度、構(gòu)成及多樣性等影響不同,不同濃度處理間的影響也有較大區(qū)別。中、低濃度殼聚糖對蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌和特色菌總量有一定程度的抑制作用,但δ-變形菌綱數(shù)量則明顯增大。土壤中豐富的α-變形菌促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)及全氮含量的提高[28],有利于蘋果根系對氮素的吸收和利用。

試驗(yàn)濃度范圍內(nèi),高濃度殼聚糖對蘋果幼樹的菌群構(gòu)成和細(xì)菌多樣性影響最大,特別是對變形菌門的種群構(gòu)成、豐度影響較大。蘋果幼樹砧木類型不同,對根施殼聚糖的響應(yīng)也會(huì)有一定差異,可能是因?yàn)椴煌枘靖鶚?gòu)型參數(shù)及養(yǎng)分吸收利用存在差異,導(dǎo)致其根際微生物種群有一定變化。土壤微生物結(jié)構(gòu)多樣性與土壤限制性資源氮、磷、鉀及有機(jī)質(zhì)密切相關(guān)[29]。高濃度殼聚糖處理的平邑甜茶砧木根際土壤諾卡菌屬、海藻球菌屬及鞘氨醇單胞菌屬豐度較高,而八棱海棠砧木根際土壤酸桿菌門、硝化螺旋菌門、δ-變形菌綱、MND1屬較豐富。MND1屬于亞硝化單胞菌科,代表著包含氨氧化細(xì)菌的分類群;硝化螺旋菌屬負(fù)責(zé)NO2-氧化,完整的硝化過程(NH4+→NO2-→ NO3-)可以由某些屬于硝化螺旋菌屬的物種完成,這使得硝化螺旋菌屬成為氮循環(huán)細(xì)菌群落的關(guān)鍵組成部分?？梢?不同菌屬細(xì)菌的功能有所不同,不同植物及砧木類型的細(xì)菌群落對殼聚糖的響應(yīng)也存在差異。

4 結(jié)論

根施殼聚糖可促進(jìn)蘋果幼樹地上部生長和根構(gòu)型改變,提高根活力,改變根際土壤微生物構(gòu)成和多樣性。高濃度(50 mg·kg-1)殼聚糖對平邑甜茶嫁接蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌多樣性影響最大,而30 mg·kg-1殼聚糖處理對八棱海棠嫁接蘋果幼樹根際土壤細(xì)菌的影響最大。