克隆整合對異質性光照環(huán)境下紫竹根際ね寥賴素有效性的影響

張云 陳勁松

摘要： 以根狀莖克隆植物紫竹為對象，研究克隆整合對遭受異質性光照脅迫分株根際土壤有機碳（SOC）、總氮（TN）、溶解性有機碳（DOC）、溶解性有機氮（DON）、氨氮（NH4+-N）、硝態(tài)氮（NO3--N）以及微生物群落組成的影響。所取紫竹克隆片段由一個母本分株和一個子代分株組成，母本分株置于全光照下，而子代分株置于80%遮陰環(huán)境中，同時母本分株與子代分株間的根莖保持連接或割斷處理。結果表明：與切斷處理相比，紫竹遮蔭子代分株根際土壤 的SOC、TN、DOC、NH4+-N在保持根狀莖連接時顯著更高，這表明異質性光照環(huán)境下克隆整合可能改善紫竹連接遮蔭子代分株根際土壤的氮素有效性?？寺≌咸岣吡诉B接遮陰狀態(tài)下紫竹子代分株根際土壤中的放線菌、真菌和革陰細菌的PLFAs濃度。通過對遮陰子代分株根際土壤微生物群落PLFAs主成分分析得出克隆整合導致遮陰子代分株根際土壤微生物群落結構發(fā)生顯著變化。該研究結果暗示了紫竹可能通過克隆整合作用降低土壤中某些對氮利用有效性影響較低的細菌數(shù)量，而增加對土壤氮利用起重要作用的放線菌和真菌的數(shù)量，進而改善紫竹對土壤中氮利用的有效性，這有利于增強克隆植物對時空異質性生境的適應能力。

關鍵詞： 紫竹， 根際土壤， 微生物群落組成， 放線菌， 真菌， 植物種群生態(tài)學

中圖分類號： Q948.9

文獻標識碼： A

文章編號： 10003142（2017）06075706

Abstract： To study the effects of clonal integration on SOC， TN， DOC， DON， NH4+-N， NO3--N and microbial community composition， a pot experiment was conducted by rhizome clonal plant Phyllostachys nigra fragments consisting of two successive ramets subjected to heterogeneous light . Mother ramets suffering from full sun versus offspring ones suffering from 80% shade， meanwhile， the rhizome was kept connected or severed. The results showed that SOC， TN， DOC and NH4+-N concentrations of shaded P. nigra offspring ramets showed a significant difference between connected and severed treatments， which means clonal integration improves soil nitrogen utilization effectiveness for connected shaded offspring ramets； Principal component analysis of PLFAs concentration of rhizosphere soil microbial for P. nigra showed a significant difference between the two treatments of shading connected and severed conditions. The results indicated that P. nigra could reduce the percent of bacteria in soil which nitrogen utilization effectiveness was low， and could increase the percent of actinomycetes and fungi by clonal integration， so as to improve the soil nitrogen utilization efficiency of whole P. nigra， which endued them with the adaptive advantages to heterogeneous habitats.

Key words： Phyllostachys nigra， rhizosphere soil， composition of microbial community， actinomycetes， fungi， plant population ecology

克隆整合的基本含義是指資源（如光合同化產(chǎn)物、水分和礦質養(yǎng)分等）通過連接物或間隔子（如匍匐莖、根莖等）在克隆分株之間進行傳輸與分享的過程。許多克隆植物可通過克隆整合能夠進行資源傳輸以改善處在不利生境下相連分株的生長繁殖（Luo et al， 2014； Liu et al， 2015）。 N的吸收和分配受根系物質中光合產(chǎn)物有效性的影響（Zhou et al， 2011）。克隆植物在氮素資源的生理需求與非克隆植物相比在本質上并無根本差異，但對土壤氮素資源攝取點的多樣性和傳輸格局更為復雜，尤其在異質性條件下，氮素被某些分株吸收后，其傳輸和分配格局將更為復雜（李立科等，2011）。母本分株可通過克隆整合促進遮陰、連接的子代分株對N的吸收和貯存（Xu et al， 2010）。這意味著全光照條件下的分株可能會向遮陰連接狀態(tài)的分株傳遞光合產(chǎn)物，從而促進它們根際土壤中氮的吸收。而這方面的相關研究較少。

根際土壤（rhizosphere soil）是指受植物根系直接影響的那部分微域土壤。是由植物根-土壤-微生物-酶組成的一個特殊微生態(tài)系統(tǒng)（李學垣，2001）。植物根系通過根際分泌物如糖、氨基酸、有機酸、激素、酶等對根際土壤施加影響（Bais et al， 2006）。植物的光合產(chǎn)物通過根系以根際分泌物的形式向土壤中釋放，這些物質作為土壤微生物碳、能量或結構物質的主要來源同時影響根際土壤微生物群落結構（Rajaniemi & Allison 2009）。反過來植物對養(yǎng)分的吸收也依賴于微生物的分解代謝（Norton & Firestone 1996），如根際土壤中氮礦化和硝化受微生物特殊種屬如真菌、放線菌等的調節(jié)（Koranda et al， 2011）。它們的相互依存關系對維持植物的生長有利。一些內生微生物的存在能夠增加植物對生物或非生物因素脅迫的容忍性，而植物的生長又對根際區(qū)微生物的生長代謝產(chǎn)生調節(jié)作用（Gray & Smith， 2005）。本研究探討在異質性光照下，克隆整合是否影響了遮蔭子代分株根際土壤氮素利用的有效性，同時改變根際土壤微生物群落的結構。該研究對揭示克隆植物在遭受異異質性光照條件下的生長機制具有重要意義。

1材料與方法

1.1 材料

紫竹（Phyllostachys nigra）為中小型散生竹，屬禾本科（Granmineae）剛竹屬（Phyllostachys）。竿高4～8 m，直徑可達5 cm，幼竿綠色，密被細柔毛及白粉，籜環(huán)有毛，一年生以后的竿逐漸先出現(xiàn)紫斑，最后全部變?yōu)樽虾谏?；花枝呈短穗狀，小穗披針形，長1.5～2 cm，具2或3朵小花；花藥長約8 mm；筍期4月下旬。主要分布于黃河流域以南各地，我國分布以浙、蘇、皖、閩、陜、豫等地較多。國外日本、朝鮮、歐美、印度等有少量分布及引種栽培（吳慶國等， 2003）。

1.2 試驗設計

2015年9月，大小相近的24株紫竹采自于四川省涼山州西昌市（101°46′～102°25 ′N，27°32′～28°10′ E），采集的植物樣本種植于西昌學院農(nóng)業(yè)種植實驗田內。通過對所采集紫竹外觀形態(tài)特征（如竹稈處的黑色斑點、紫黑程度）的分析，試驗所用紫竹分株竹稈年齡分別為1 a和2 a，竹鞭年齡大致為2 a。所有植株在自然光照條件下生長兩周后，其中一株用遮陽網(wǎng)進行80%的遮陰處理，而另一分株置于全光照條件下；同時，子代分株與母本分株間的根莖保持連接或割斷，見圖1。連接與割斷兩種處理，每個處理設置五個重復。試驗期間根據(jù)土壤干濕情況進行不定期澆灌無菌水以減少水脅迫造成的影響。試驗時間共持續(xù)了3個月，從2015年9月15日至12月15日。

1.3 測定項目與分析方法

2015年12月，對所有試驗植株采集根際土壤，根際土壤的取樣方法采用Riley & Barber（1970）的“抖落法”進行。處理好的土壤樣品作好標記儲存于-20 ℃ 的冰箱中以備進行各項指標的分析。

土壤中的溶解性有機碳（DOC，Dissolved organic carbonate）和溶解性有機氮（DON，Disolved organic nitrogen）采用氯化鉀浸提法并通過總有機碳/有機氮分析儀（型號：Vario TOC）上機測定；土壤中的銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）采用氯化鉀浸提法流動分析儀測定，測定步驟如下：稱取10 g土壤樣品于廣口瓶中，加入2 mol·L1 KCl 溶解25 mL，振蕩浸提30 min后過濾，流動分析儀測定。土壤有機碳（SOC）和總氮（TN）采用元素分析儀（型號：vario MACRO cube）測定。

根際土壤微生物群落的菌屬濃度及比例變化采用磷脂脂肪酸（PLFAs）技術進行分析測定。磷脂脂肪酸存在于活體微生物細胞膜，含量相對穩(wěn)定、對環(huán)境因素變化敏感、用于鑒定土壤微生物種類和識別微生物類群，具有較高的準確性、穩(wěn)定性和敏感性（Bai et al， 2006）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

所有數(shù)據(jù)采用單因素方差分析（Oneway ANVOA）進行檢驗，采用IBMSPSS 22.0軟件進行單因素ANOVA顯著性水平檢驗。圖形繪制以及相關性水平分析采用originPro 8軟件進行。

2結果與分析

2.1 根際土壤碳、氮測定結果

由表1可知，子代分株處于連接狀態(tài)的DOC和DON均比切斷狀態(tài)的要高，說明克隆整合對于溶解性碳、氮的轉化和利用起到了積極的作用。異質性光照條件下連接狀態(tài)不同處理的紫竹根際土壤銨態(tài)氮（NH4+-N）與切斷狀態(tài)相比均有所提高，但連接光照條件下的硝態(tài)氮（NO3--N）比其他處理均明顯降低，尤其是與相連遮陰狀態(tài)分株的根際土壤硝態(tài)氮（NO3--N）相比，降低了49.11%。這可能與克隆整合時對氮資源傳輸類型的偏好有關。

2.2 根際土壤微生物群落結構的測定結果

磷脂脂肪酸濃度應用標準品甲基十九烷脂肪酸（19∶0）作為內標進行定量測定，將表示各特征PLFAs相對生物量的響應值（Response）換算成各類脂肪酸的具體含量，通過特征峰值名（Peak Name）比對可定性確定脂肪酸的名稱（Salomonová et al， 2001）。根據(jù)生物標記物所對應的微生物屬，對24個土壤樣品氣相色譜圖信息進行量化，轉化成數(shù)據(jù)形式。對重復處理的樣本分析結果計算平均值及標準誤差，形成以不同處理方式為自變量的數(shù)據(jù)矩陣，分析不同處理對以根際土壤微生物群落結構的影響。遮陰條件下， 紫竹連接與切斷狀態(tài)下子代分株根際土壤微生物群落各菌屬PLFAs比例對照見圖2。由圖2可知，連接遮陰狀態(tài)下的放線菌、真菌和革陰細菌PLFAs比例較切斷遮陰狀態(tài)有較為明顯的增高，分別增加了67.31%、17.59%、11.75%。而一般細菌相對有所減少。叢枝菌根真菌的變化最小。連接遮陰狀態(tài)與切斷遮陰狀態(tài)的紫竹分株根際土壤叢枝菌根真菌分別占微生物總量PLFAs的4.08%和4.07%。遮陰條件下連接與切斷狀態(tài)的根際土壤微生物菌屬的PLFAs濃度呈顯著性差異（P=0.024<0.05）。連接狀態(tài)的自然光照與遮陰異質性光照條件下，根際土壤各菌屬濃度呈非常高正相關，極顯著差異（R=0.995>0.9，P<0.001）。說明克隆整合影響了分株根際土壤各菌屬濃度。

2.3 根際土壤微生物群落PLFAs主成分分析

主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）是把多個指標通過正交變換將一組可能存在相關性的變量轉換為一組線性不相關的變量，是多個指標轉換為少數(shù)幾個綜合指標的一種統(tǒng)計方法（沙月霞等，2011）。本研究采用主成分分析法將不同處理的紫竹根際土壤微生物群落各菌屬轉換為互不相關的變量。構建各個微生物菌屬指標的標準化值矩陣，利用IBM SPSS 21.0 進行數(shù)據(jù)處理，通過該軟件運行得出矩陣的特征根與對應的方差貢獻率。并根據(jù)特征根的方差貢獻率和累積方差貢獻率選擇主成分，形成因子載荷貢獻圖。本試驗的土壤微生物群落菌屬的特征根和方差貢獻率見表2。由表2可知，紫竹各分株不同處理間根際微生物群落菌屬中前兩個菌屬，放線菌和真菌已經(jīng)包含了原始樣本數(shù)據(jù)中95.89%的信息，這兩個指標可以用以解釋不同處理間根際土壤微生物群落各菌屬分布比例問題。

3討論

在異質性環(huán)境條件下，克隆整合可以幫助分株之間通過其相連的根莖或匍匐莖分享生境中的資源，通過資源的轉運及轉移以達到所有分株之間資源分配的最優(yōu)化及收益最大化（Gao et al， 2014）?？寺≌贤ㄟ^這種優(yōu)化可提高克隆植物所有分株的表現(xiàn)，如植物光合作用效率、增加植物存活概率，從而在異質性環(huán)境中獲得生長和系列的優(yōu)勢（Oborny et al， 2001）。植物根系對土壤氮素的吸收通常是以無機態(tài)氮，即銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）為主。植物可以直接利用土壤中的銨態(tài)氮（NH4+-N）合成氨基酸，而硝態(tài)氮（NO3--N）則必須轉換成銨態(tài)氮（NH4+-N）才能被吸收利用。王長愛（2006）發(fā)現(xiàn)結縷草對15NH4+和15NO3-在主匍匐莖和分枝上都具有明顯的整合作用，植株從根部吸收的氮素在主匍匐莖上具向基和向頂?shù)碾p向傳輸。陳惠娟等（2015）研究結果表明長期而完整的克隆整合使結縷草克隆植株的一級分株、復合節(jié)和匍匐莖的生長顯著受益。紫竹連接與切斷處理遮陰狀態(tài)下兩個子代分株銨態(tài)氮（NH4+-N）呈顯著性差異且連接處理的銨態(tài)氮（NH4+-N）明顯高于切斷處理，說明克隆整合提高了子代分株對于土壤中氮利用的有效性。本研究中連接與切斷的遮陰子代分株的紫竹根際土壤硝態(tài)氮（NO3--N）的不顯著差異一方面可能與該分株土壤中有機氮的氨化作用高于硝化作用，另一方面也可能與硝態(tài)氮-具有高的流動性和水溶性，從而通過土壤的遷移作用而影響到根際土壤中NO3--N的濃度水平。

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其群落結構組成和活性變化是衡量土壤肥力、質量和作物生產(chǎn)力的一個重要指標。植物根際土壤微生物群落結構組成的變化也是研究植物與土壤微生物之間關系的核心問題。本研究通過對比異質性光照條件下連接與切割狀態(tài)下紫竹根際土壤微生物群落結構的變化，發(fā)現(xiàn)連接狀態(tài)下的紫竹分株根際土壤中的放線菌、真菌和革陰細菌PLFAs比例較切斷狀態(tài)有較為明顯的增高，而一般細菌相對有所減少。這里面最為突出的放線菌生物量的明顯增高。土壤放線菌是指在形態(tài)學特征上是細菌和真菌間過渡的單細胞微生物。屬于原核生物，具有直徑0.5～0.8μm呈分枝狀的菌絲。土壤中氮元素是影響土壤微生物細菌、真菌和放線菌組成的重要因素（Treseder et al， 2008）。異質性光照條件下不同處理根際土壤微生物群落各菌屬的主成分分析得出的特征根和方差貢獻率在前三位的菌種分別為放線菌、真菌、細菌。土壤中這三大類微生物區(qū)系比例是土壤肥力的衡量指標。土壤肥力影響微生物活動和改變微生物群落的結果，同時，各種類型的微生物亦可改善土壤的肥力狀況及養(yǎng)分利用的有效性（王超等，2005）。張信娣等（2008）的結果表明放線菌數(shù)量與土壤養(yǎng)分含量及作物產(chǎn)量呈顯著正相關，而真菌與土壤養(yǎng)分含量相關性較差。這與本研究中放線菌、真菌與土壤中C、N的關系一致。

細菌中的氨化細菌、硝化細菌、亞硝化細菌可促進有機氮分解、銨態(tài)氮硝化，從而達到將土壤中的氮轉化為能被植物利用的形式。對紫竹進行遮陰連接處理條件下，根際土壤中DON、NH4+-N、NO3--N與切斷處理相比均有所上升，而根際土壤中的細菌PLFAs濃度降低，相反真菌、放線菌濃度增高。說明紫竹可以很聰明地降低細菌中某些對土壤氮利用有效發(fā)生較低的部分，而增加對土壤養(yǎng)分起著較重要作用的放線菌和真菌的數(shù)量。這與前述的放線菌、真菌對土壤養(yǎng)分的影響結論一致。

4結論

（1）克隆整合對于紫竹連接遮陰狀態(tài)下根際土壤中除硝態(tài)氮（NO3--N）外其他幾種碳、氮存在形式如土壤有機碳（SOC）、總氮（TN）、溶解性有機碳（DOC）、溶解性有機氮（DON）、銨態(tài)氮（NH4+-N）均表現(xiàn)出了促進的作用，且連接與切斷處理下，紫竹遮陰子代分株間SOC、TN、DOC、NH4+-N均呈顯著性差異，說明克隆整合提高了紫竹在異質性光照條件下對碳、氮利用的有效性，從而有利于紫竹子代分株在遮陰條件下的生存。（2）遮陰條件下兩種處理方式連接、切斷狀態(tài)紫竹根際土壤微生物菌屬的PLFAs濃度呈顯著性差異（P=0.024 < 0.05）；連接遮陰狀態(tài)下的放線菌、真菌和革陰細菌PLFAs比例較切斷遮陰狀態(tài)有較為明顯的增高，分別增加了67.31%、17.59%、11.75%。而一般細菌相對有所減少。說明克隆整合影響了分株根際土壤各菌屬濃度及分布比例。（3）主成分分析表明紫竹各分株不同處理間根際微生物群落菌屬中放線菌、真菌、細菌已經(jīng)包含了原始樣本數(shù)據(jù)中100%的信息，這三個指標可以用以解釋不同處理間根際土壤微生物群落各菌屬分布比例問題。（4）紫竹可以通過克隆整合作用降低細菌中某些對土壤氮利用有效性較低的部分，而增加對土壤養(yǎng)分起著較重要作用的放線菌和真菌的數(shù)量，從而達到提高紫竹對土壤中氮利用的有效性。

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