木麻黃和榿木離體根瘤和立地土壤的固氮酶與N2O還原酶活性的研究

馬瑩玲, 朱思佳, 曾思如, 馬紅亮,2, 尹云鋒,2, 楊柳明,2, 高人,3*

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木麻黃和榿木離體根瘤和立地土壤的固氮酶與N2O還原酶活性的研究

馬瑩玲1, 朱思佳1, 曾思如1, 馬紅亮1,2, 尹云鋒1,2, 楊柳明1,2, 高人1,3*

(1. 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福州 350007；2. 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點實驗室培育基地，福州 350007；3. 福建省植物生理生態(tài)重點實驗室，福州 350007)

為了解非豆科固氮樹種的固氮酶和N2O還原酶(Nos)活性，采用乙炔還原法和乙炔抑制技術(shù)對細枝木麻黃()和江南榿木()離體根瘤及立地土壤的兩種酶活性進行了研究。結(jié)果表明，離體根瘤只在厭氧條件下有固氮酶活性，在好氧條件下有Nos活性。根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土的固氮酶活性在好氧條件大于厭氧條件，Nos活性只表現(xiàn)在厭氧條件下。在好氧條件下，根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土的固氮酶活性無顯著差異; 根瘤區(qū)根際土的Nos活性顯著大于非根瘤區(qū)根際土。除離體根瘤在好氧條件下不表現(xiàn)固氮酶活性外，細枝木麻黃和榿木的離體根瘤、根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土的固氮酶活性均都大于Nos活性。好氧條件下根瘤區(qū)根際土的固氮酶活性與非根瘤區(qū)根際土的呈極顯著正相關(guān)，而厭氧條件下根瘤的固氮酶活性與好氧條件下根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土固氮酶活性、好氧條件下根瘤的Nos活性與厭氧條件下根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土Nos活性均呈極顯著負(fù)相關(guān)。這為研究弗蘭克氏菌結(jié)瘤植物共生固氮體系對N2O匯強度的影響和調(diào)控奠定基礎(chǔ)。

細枝木麻黃；江南榿木；共生固氮；離體根瘤；立地土壤；固氮酶；Nos

木麻黃(spp.)和榿木(spp.)是兩種非豆科木本植物，在自然狀態(tài)下能與弗蘭克氏菌(spp.)共生形成根瘤，固定空氣中的氮素[1]，屬于兩個最主要的共生結(jié)瘤固氮體系的一種(另一種是豆科植物與根瘤菌)[2–3]，因而成為重要的造林樹種。弗蘭克氏菌是一類根瘤內(nèi)生菌[4],其固氮功能同根瘤菌(spp.)一樣是在固氮酶的催化作用下進行的[5]。固氮酶的還原底物不只是氮氣(N2)，還包括氧化亞氮(N2O)在內(nèi)的許多物質(zhì)，固氮酶可以將N2O還原成N2，再還原成NH3[6]，或直接一步還原成NH3[7]。有的固氮菌也具有反硝化能力[8]且存在負(fù)責(zé)反硝化作用的基因[9],有些固氮菌能夠在氧化亞氮還原酶(Nos)的催化下將N2O還原成N2[10]。甚至由反硝化作用損失的氮量，數(shù)量上相當(dāng)于根瘤菌共生固氮作用所獲得的氮[11]。這就意味著固氮菌通過兩大酶系統(tǒng)不但具有同化固定大氣(土壤空氣)中的N2能力, 還可能具有同化還原或異化還原大氣(土壤空氣)中N2O的能力，這對通過控制兩大酶系統(tǒng)的作用來維持生態(tài)系統(tǒng)氮素平衡和減緩溫室氣體效應(yīng)具有重要意義。

但以往的共生固氮研究，多以豆科作物共生固氮體系為研究對象[12–13]，且多側(cè)重于根瘤菌的固氮機理和固氮效應(yīng)研究[14]，結(jié)論多是圍繞分離的內(nèi)生菌的純培養(yǎng)得出的[15]。對于共生體系的(離體)根瘤及其對立地土壤的研究不多，對木本非豆科植物共生體系的根瘤固氮酶和反硝化酶系統(tǒng)及與立地環(huán)境關(guān)系研究更是鮮見報道[13]。因此做出如下假設(shè): 1、根瘤(因有內(nèi)生菌)既具有固氮酶活性也具有Nos活性；固氮酶活性在好氧條件下大于厭氧條件下, Nos活性在好氧條件下小于厭氧條件下; 固氮酶活性大于Nos活性。2、根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土都具有固氮酶活性且前者大于后者；根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土都具有Nos活性且前者大于后者；立地土壤的固氮酶活性小于Nos活性。為了檢驗這些假設(shè)，本研究以兩種非豆科植物細枝木麻黃()和江南榿木()的離體根瘤為材料，分別利用乙炔還原法和乙炔抑制法測定好氧和厭氧條件下的固氮酶和Nos活性，并探討與立地土壤兩種酶活性的關(guān)聯(lián)性, 為今后進一步研究弗蘭克氏菌結(jié)瘤植物共生固氮體系對N2O匯強度的影響和調(diào)控提供基礎(chǔ)和依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

細枝木麻黃采自福建省惠安赤湖國有防護林場(24°35? N，118°55? E)，所在地區(qū)屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，年均氣溫20.7℃，年均降水量1 241.8 mm,土壤為潮積或風(fēng)積沙土。細枝木麻黃是營養(yǎng)袋扦插育苗后移植大田培育了1年的無性系植株。隨機選取50株(平均株高0.89 m, 平均根徑為0.54 cm, 葉片和根C/N分別為20.7和91.9)，將其根系一側(cè)土挖開, 將帶有根瘤的側(cè)根剪下，小心收集粘附于根瘤上的土壤作為根瘤區(qū)根際土(RSI, rhizospheric soil in nodule roots grown areas)，取根際周圍非根瘤區(qū)的土壤作為非根瘤區(qū)根際土(RSN, rhizospheric soil near nodule roots grown areas)，分別裝袋，將根瘤和土保存于冷藏箱中帶回實驗室。將采集的根瘤一部分用于培養(yǎng)實驗，另一部分保存用于根瘤內(nèi)生菌分離培養(yǎng)實驗。取新鮮的細枝木麻黃根瘤，用水洗凈表面后分成根瘤小瓣，水洗凈，以95%乙醇浸泡30~60 s, 迅速用蒸餾水沖洗，以0.1% HgCl2表面滅菌5~10 min, 然后以無菌水洗數(shù)次，用濾紙吸干水分，移入滅菌的培養(yǎng)皿以備培養(yǎng)實驗[16]。將帶回實驗室的根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土挑除小石子、凋落物、根系等雜質(zhì)，過2 mm孔徑尼龍篩后裝入自封袋密封保存。

江南榿木采自清流縣嵩口鎮(zhèn)速生林苗圃(26° 17? N，116°94? E)，所在地區(qū)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫17.9℃，年降雨量1 738 mm，平均海拔345 m，土壤以紅壤分布最廣。榿木是2年生的實生苗。隨機選取20株(平均株高2.56 m，根徑為2.13 cm, 葉片和根C/N分別為20.9和61.4)，用相同方法收集根瘤、根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土樣品。培養(yǎng)實驗在48 h內(nèi)完成。

土壤的基本理化性質(zhì)(表1)采用常規(guī)的分析方法[17]。用鋁盒烘干法測定含水量；土壤pH用便攜式pH計(Starter 300，上海)測定，水土比2.5∶1 (/); 總氮(TN, total nitrogen)、總碳(TC, total carbon)和碳氮比(C/N)采用CN元素分析儀(Elemental vario MAX analyzer，德國)測定；溶解有機氮(DON, dissolved organic nitrogen)用連續(xù)流動分析儀(Skalar San++, 荷蘭)測定，溶解有機碳(DOC, dissolved organic carbon)采用TOC儀(TOC-VCPH, 島津，日本)測定。

表1 土壤的基本理化性質(zhì)

RSI: 根瘤區(qū)根際土; RSN: 非根瘤區(qū)根際土; TN: 總氮; TC: 總碳; DON: 溶解有機氮; DOC: 溶解有機碳。下表同。

RSI: Rhizospheric soil in nodule roots grown area; RSN: Rhizospheric soil near nodule roots grown area; TN: Total nitrogen; TC: Total carbon; DON: Dissolved organic nitrogen; DOC: Dissolved organic carbon. The same is following Tables.

1.2 培養(yǎng)試驗

在好氧和厭氧條件下測定根瘤和土壤的固氮酶活性和Nos活性，固氮酶活性測定采用乙炔還原法，Nos活性采用乙炔抑制法。

離體根瘤試驗 共設(shè)計8種處理，包括厭氧+根瘤+乙炔(處理1)、厭氧+根瘤(處理2)、好氧+根瘤+乙炔(處理3)、好氧+根瘤(處理4)、厭氧+乙炔(對照1)，好氧+乙炔(對照2)、厭氧(空白1)、好氧(空白2)，每個處理均3個重復(fù)，對照和空白各2個重復(fù)。稱取適量根瘤(0.25~0.35 g)裝入20 mL的培養(yǎng)瓶中，塞上橡膠塞，蓋緊塑料蓋；將處理1、處理2，對照1和空白1抽真空，用He洗氣反復(fù)替換頂空氣體3次制造厭氧條件；將處理3、處理4、對照2和空白2抽真空，向瓶內(nèi)注入新鮮空氣；隨后在需要加乙炔的培養(yǎng)瓶中用注射器抽出10%瓶內(nèi)體積的氣體，注入等量乙炔氣體。將瓶子置于25℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，分別于0和24 h時抽取10 mL氣體，在島津GC-2010氣相色譜儀上測定C2H4, 載氣為N2，流速30 mL min–1，色譜柱型號為Porapak TΦ4*2m，柱溫60℃，進樣器溫度100℃，F(xiàn)ID檢測器溫度280℃；在Shimadzu GC-2014 (日本)氣相色譜儀上測定N2O，載氣為95%Ar-CH4，流速30 mL min–1，ECD檢測器溫度為320℃，使用3 m長的Porapak Q (80/100目)分離柱，柱溫70℃。

土壤實驗 分別稱取新鮮根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土5 g，裝入50 mL的培養(yǎng)瓶，蓋緊丁基膠塞，用704硅膠密封，其他步驟與根瘤試驗相同。

1.3 酶活性測定

固氮酶活性[18]用加乙炔與不加乙炔的處理所產(chǎn)生的乙烯濃度差來表征固氮酶活性大小，用對照來排除乙炔中的乙烯干擾，用空白來排除空氣中的乙烯干擾，將實驗處理所產(chǎn)生的乙烯通量減去對照和空白所產(chǎn)生的乙烯通量對數(shù)據(jù)進行校正。產(chǎn)生的C2H4濃度：C=1000×V×/(22.4R××), 式中，C為根瘤(土壤)在時刻的C2H4濃度(nmol C2H4g–1h–1),V為時刻土壤根瘤(土壤)中產(chǎn)生C2H4的體積(L),為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(kPa)，為絕對溫度(k)，R為通用氣體常數(shù)(8.31451 L kPa mol–1k–1),為干根瘤(烘干土)質(zhì)量(g), 其中V=(C×V)/1000,C為時刻培養(yǎng)瓶頂部C2H4濃度(L L–1)，V為培養(yǎng)瓶頂部空間的體積(mL)。

Nos活性[19]用加乙炔與不加乙炔處理所產(chǎn)生的N2O濃度差來表示，用空白來排除空氣中的乙炔，將加乙炔與不加乙炔處理所產(chǎn)生的N2O通量減去空白所產(chǎn)生的N2O通量對數(shù)據(jù)進行校正。產(chǎn)生的N2O濃度：N=1000×V××28.0134/(R××), 式中,N為根瘤(土壤)在時刻的N2O-N濃度(ng N2O g–1h–1),V為時刻根瘤(土壤)中排放N2O的體積(L)，其中V=C(V+water)/1000,water為根瘤(土壤)所含水分體積(mL)，為溶解在水中N2O的Bunsen校正系數(shù)=0.544 (25℃)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007進行數(shù)據(jù)整理，用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，變量間的顯著性檢驗采用單因素方差分析法(ANOVA)，用最小顯著差數(shù)法(LSD)進行多重比較(=0.05)，數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，相關(guān)分析采用Pearson相關(guān)系數(shù)。

2 結(jié)果和分析

2.1 固氮酶活性

從表2可見，兩樹種的離體根瘤在好氧條件下沒有檢測出固氮酶活性(負(fù)值)，在厭氧條件下測出固氮酶活性，且細枝木麻黃是江南榿木的3.75倍(<0.01)。

細枝木麻黃根瘤區(qū)根際土的固氮酶活性在好氧和厭氧條件下無顯著差異(>0.05)；非根瘤區(qū)根際土的固氮酶活性在好氧條件下顯著大于厭氧條件下(<0.01)。江南榿木根瘤區(qū)根際土的固氮酶活性在好氧條件下是厭氧條件下的14.5倍，達顯著差異(<0.01)；非根瘤區(qū)根際土的固氮酶活性在好氧條件下是厭氧條件下的40.3倍，達顯著差異(< 0.01)。兩樹種的根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土的固氮酶活性在好氧條件下都沒有顯著差異(< 0.05)。

2.2 Nos活性

從表2可見，在好氧條件下細枝木麻黃根瘤的Nos活性是江南榿木的11.7倍(<0.01)；兩樹種在厭氧條件下都沒有檢測出Nos活性(負(fù)值)。

細枝木麻黃和江南榿木無論是根瘤區(qū)根際土還是非根瘤區(qū)根際土，都只在厭氧條件下檢測出較弱的Nos活性，在好氧條件下沒有檢測出Nos活性(負(fù)值)；兩種樹種厭氧條件下的Nos活性都表現(xiàn)出根瘤區(qū)根際土大于非根瘤區(qū)根際土，且達顯著差異(<0.05)，表明離根瘤越近的土壤Nos活性可能越大；江南榿木根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土的Nos活性都顯著大于細枝木麻黃的(<0.05)。

除離體根瘤在好氧條件下不表現(xiàn)固氮酶活性外, 細枝木麻黃和榿木無論是離體根瘤還是根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土，固氮酶活性都大于Nos活性(<0.01)。

表2 細枝木麻黃(CC)和江南榿木(AT)離體根瘤、根瘤區(qū)根際土(RSI)和非根瘤區(qū)根際土(RSN)的固氮酶活性和Nos活性(ng N g–1h–1)

同行數(shù)據(jù)后不同字母分別表示差異顯著(<0.05)。

Data followed different letters within line indicate significant differences at 0.05 level.

2.3 固氮酶和Nos活性的相關(guān)分析

由表3可見，固氮酶活性在厭氧條件下，根瘤與根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土無顯著相關(guān)性，根瘤區(qū)根際土與非根瘤區(qū)根際土也無顯著相關(guān)性，而根瘤厭氧固氮酶活性與好氧條件下根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土固氮酶活性均呈極顯著負(fù)相關(guān)；好氧條件下根瘤區(qū)根際土固氮酶活性與非根瘤區(qū)根際土的呈極顯著正相關(guān)；而固氮酶在其余處理間無顯著相關(guān)。由表4可見，根瘤好氧條件下的Nos活性與厭氧條件下根瘤區(qū)根際土呈顯著負(fù)相關(guān)，與厭氧條件下的非根瘤區(qū)根際土呈極顯著負(fù)相關(guān)，而同在厭氧條件下，根瘤區(qū)根際土與非根瘤區(qū)根際土的Nos活性在處理間無顯著差異。

表3 固氮酶活性的Pearson相關(guān)系數(shù)

**<0.01

表4 Nos活性的Pearson相關(guān)系數(shù)

*:<0.05;**:<0.01

3 討論和結(jié)論

3.1 固氮酶活性

一般根瘤菌是好氧菌[11]，固氮酶在根瘤菌的固氮過程中起到催化的作用，但固氮酶對氧氣十分敏感，過多氧氣存在會阻礙固氮酶合成，從而導(dǎo)致固氮酶失活[20]。與根瘤菌一樣，弗蘭克氏菌也是一種好氣菌，其與宿主共生固氮過程不含屏氧的血紅蛋白，對氧氣不是很敏感，在正常的氧分壓下，不論是離體培養(yǎng)還是在根瘤中，弗蘭克氏菌都能很好地進行固氮，在解決供氧和防氧的矛盾方面更適合共生[16]。但有研究表明，在弗蘭克氏菌與細枝木麻黃的共生固氮體系中是存在防氧屏障的[21]，一般共生固氮體系依賴與宿主之間的相互聯(lián)系[11]。本試驗中離體根瘤切斷了共生固氮體系與宿主之間的聯(lián)系，不能形成隔氧機制，因而，根瘤在好氧條件下檢測不出固氮酶活性。本試驗中的厭氧為人為制造的缺氧環(huán)境，為離體根瘤內(nèi)生菌固氮酶創(chuàng)造了催化條件。這表明傳統(tǒng)的離體好氧條件下測定離體根瘤的固氮酶活性在實際運用時要謹(jǐn)慎，在厭氧條件下測定更具科學(xué)性。另外，還可能與根瘤的離體時間有關(guān)，研究發(fā)現(xiàn)，長時間切斷光合產(chǎn)物對根瘤的供應(yīng)會使離體根瘤活力迅速下降[22]，表明人為的厭氧條件減少了根瘤的能量損耗，使其固氮酶活性在厭氧條件下大于好氧條件。為驗證此結(jié)果，未來應(yīng)關(guān)注根瘤的原位試驗。

土壤中存在多種自生固氮菌，自生固氮菌是利用土壤和空氣中的氮進行固氮作用[23]，一般地，自生固氮菌的固氮能力比共生固氮菌弱[24]。土壤中還廣泛分布著自生根瘤菌[23]和自生弗蘭克氏菌[25]，固氮酶能催化土壤固氮菌進行固氮作用。自生固氮菌的固氮作用一般是在好氧條件下進行的[20]，好氧自生固氮菌通過加強有氧呼吸將周圍氧氣吸收，保持低氧狀態(tài)以保護固氮酶活性，執(zhí)行正常的厭氧固氮過程[26]。有研究表明, 細胞內(nèi)較低的O2濃度有利于提高生物體中固氮酶的潛在活性[20,27]。但在本研究中，兩樹種無論是根瘤區(qū)根際土還是非根瘤區(qū)根際土在好氧條件和厭氧條件下都表現(xiàn)出固氮酶活性, 說明兩樹種根際土的自生固氮菌中既具有好氧種類也具有厭氧種類。本研究結(jié)果還表明，除細枝木麻黃在厭氧條件外，兩樹種根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土之間的固氮酶活性沒有顯著差異，表明在根系的有限范圍內(nèi)，好氧條件下的根瘤區(qū)根際土與非根瘤區(qū)根際土的固氮酶活性并無明顯差異。這可能是，在本研究取樣條件下，根瘤區(qū)根際土與非根瘤區(qū)根際土幾乎相鄰，沒有明顯區(qū)分。因此，未來應(yīng)在取樣條件上，嚴(yán)格劃分根瘤區(qū)根際土與非根瘤區(qū)根際土來研究。

3.2 Nos活性

共生固氮菌既能進行固氮作用也能進行反硝化作用[11]，反硝化是在厭氧條件下進行的[28]，Nos是一種反硝化酶，能在反硝化的最后一步催化N2O還原[19]。Nos對O2十分敏感[7,19]，O2的存在會抑制反硝化酶的作用從而使反硝化酶的活性降低[29]。有研究表明，存在好氧反硝化菌，反硝化酶在好氧和厭氧條件下都能合成[30]，在O2存在時反硝化酶仍有較高活性[27]，因此，在本試驗中，根瘤在厭氧條件下檢測不出Nos活性，表明在好氧條件下測定離體根瘤的Nos活性更具有科學(xué)性。固氮和反硝化是兩種相互矛盾的生理過程，N2O是許多根瘤內(nèi)生菌的反硝化作用的終產(chǎn)物，它是固氮酶的競爭性抑制劑，也能被還原為N2，N2又可進一步為固氮酶所還原，然后在根瘤內(nèi)被同化[11]。根瘤菌的類菌體(根瘤)同時具有釋放氮和固定氮的能力，已經(jīng)在豌豆固氮菌的類菌體和其他一些固氮菌(,sp.)的菌株上觀察到[11]。本研究在弗蘭克氏菌的類菌體上觀察到厭氧條件下的固氮酶活性和好氧條件下的Nos活性，且固氮酶活性大于Nos活性。但Nos失氮過程和固氮酶的固氮過程彼此在進化上有何好處及化學(xué)計量特征等還有待進一步研究。有研究表明在土壤的無氧環(huán)境中，維持根瘤的完整性對共生體的存在至關(guān)重要[31]。本研究中，離體根瘤切斷了共生固氮體系與宿主之間的聯(lián)系，這種人為擾動對固氮酶和Nos活性的影響還需進一步研究。

土壤中存在少量反硝化細菌，它們直接或間接參與土壤氮循環(huán)[32]。在根瘤菌內(nèi)進行著N2的固定和反硝化兩個相反的生理過程[33]，因此，土壤中的根瘤菌也能參與反硝化作用[34]。本研究表明細枝木麻黃/榿木的根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土只在厭氧條件下具有Nos活性，表明兩樹種的根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土只能在厭氧條件下進行反硝化作用。通常認(rèn)為，土壤反硝化是一個厭氧過程，反硝化酶活性和相關(guān)基因的表達會受到O2的嚴(yán)格抑制，產(chǎn)生N2O主要是厭氧反硝化過程[35]，本研究結(jié)果表明，細枝木麻黃/榿木的根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土只有在厭氧條件下具有Nos活性，這也證實了土壤反硝化是一個厭氧過程。研究表明，土壤表層是反硝化作用最主要的層次，而下層土壤的反硝化作用較為微弱[34]。本研究發(fā)現(xiàn)細枝木麻黃和榿木根瘤區(qū)根際土的Nos活性顯著大于非根瘤區(qū)根際土，這表明根瘤區(qū)根際土由于離體根瘤距離較近,受到根瘤共生固氮菌反硝化的影響，導(dǎo)致其Nos活性要強于非根瘤區(qū)根際土。本研究結(jié)果表明，土壤同時具有固氮酶活性和Nos活性，但土壤中Nos是較低的[33]。本研究結(jié)果表明，除離體根瘤在好氧條件下外，立地土壤的固氮酶活性大于Nos固氮細菌活性符合這一規(guī)律。

3.3 固氮酶和Nos活性的相關(guān)關(guān)系

相關(guān)分析表明，根瘤厭氧固氮酶與好氧條件下兩種根際土及根瘤好氧Nos與厭氧條件下兩種根際土表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。土壤是根瘤賴以生存的環(huán)境，固氮細菌在根瘤固氮過程中發(fā)揮重要作用[11], 根瘤壞死后內(nèi)生菌釋放到土壤中導(dǎo)致土壤也廣泛分布著弗蘭克氏菌[36]，從土壤中能夠分離出弗蘭克氏菌[37]。因此，根瘤的固氮酶及Nos活性在一定程度對立地土壤有影響。根際環(huán)境是植物與土壤的連接紐帶, 土壤微生物依附著根際生存[38]。研究表明，在不同土壤深度弗蘭克氏菌菌株的分布不同[39], 因而固氮酶活性也有所差異。根際土壤的微生物豐度和酶活性普遍高于非根際土壤[40]。本研究結(jié)果表明, 固氮酶活性在好氧條件下根瘤區(qū)根際土與非根瘤區(qū)根際土顯著正相關(guān)。但是在厭氧條件下，兩種根際土固氮酶與Nos并無顯著相關(guān)性，表明不同通氣條件會影響根瘤與周圍的土壤環(huán)境的關(guān)系。然而，目前對于在不同通氣條件下根瘤與土壤、根際土與非根際土之間兩種酶活性的研究甚少，還有待深入研究。

兩樹種的離體根瘤既具有固氮酶活性也具有Nos活性；固氮酶活性只表現(xiàn)在厭氧條件下，Nos活性只表現(xiàn)在好氧條件下；固氮酶活性大于Nos活性。

根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土都具有固氮酶活性；在好氧條件下，兩種土壤固氮酶活性之間無顯著差異；根瘤區(qū)根際土和非根瘤區(qū)根際土都具有Nos活性，且前者大于后者；立地土壤的固氮酶活性大于Nos活性。

根瘤厭氧固氮酶活性與好氧條件下的兩種根際土都呈極顯著負(fù)相關(guān)，而與厭氧條件下的兩種根際土都沒有表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)性，根瘤區(qū)根際土只在好氧條件下與非根瘤區(qū)根際土顯著相關(guān)，根瘤區(qū)根際土與非根瘤區(qū)根際土在兩種不同通氣條件下的固氮酶活性沒有表現(xiàn)出顯著相關(guān)性；根瘤好氧Nos活性與厭氧條件下的兩種根際土均有顯著相關(guān)性，而厭氧條件下兩種根際土之間無顯著相關(guān)性。

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Nitrogenase and N2O Reductase Activities of Detached Nodules and Site Soils ofand

MA Ying-ling1, ZHU Si-jia1, ZENG Si-ru1, MA Hong-liang1,2, YIN Yun-feng1,2, YANG Liu-ming1,2, GAO Ren1,3*

(1. School of Geographical Science, Fujian Normal University,Fuzhou 350007, China; 2. Cultivation Base of State Key Laboratory of Humid Subtropical Mountain Ecology,Fuzhou 350007, China; 3. Fujian Provincial Key Laboratory for Plant Eco-physiology,Fuzhou 350007, China)

To understand the activities of nitrogenase and N2O reductase (Nos) for non-legume nitrogen-fixing tree species, the detached nodules, rhizospheric soil in nodule root grown area (RSI) and rhizospheric soil near nodule root grown area (RSN) were collected fromandin Fujian Province, southeastern China, and the nitrogenase and Nos activities were determined by acetylene reduction method and acetylene inhibition technique, respectively. The results showed that the nitrogenase activity of detached nodules could be detected only under anaerobic condition, and the Nos activity only in aerobic condition. The nitrogenase activity in RSI and RSN under aerobic conditions was higher than those under anaerobic condition, and the Nos activities could be detected only under anaerobic condition. In aerobic condition, there was no significant difference in nitrogenase activity between RSI and RSN, while Nos activity of RSI was significantly larger than that of RSN. The nitrogenase activity were greater than Nos activity for the two tree species, except that there were no nitrogenase activity for the detached nodules under aerobic condition. The nitrogenase activity in the RSI under aerobic condition was significantly positively correlated with that in RSN. However, the nitrogenase activity in nodules under anaerobic condition was negatively correlated with that in RSI and RSN under aerobic condition, and the Nos activity in nodules under aerobic condition was also negatively correlated with that in RSI and RSN under anaerobic condition. These would lay a foundation for studying the effect and regulation of symbiotic nitrogen fixation system of tree species nodulated withon N2O sink intensity.

;; Symbiotic nitrogen fixation; Detached nodule; Site soil; Nitrogenase; Nos

10.11926/jtsb.3963

2018-07-02

2018-10-27

國家自然科學(xué)基金項目(31570607, 31770659, 41271282)資助

This work was supported by the National Natural Sciences Foundation of China (Grant No. 31570607, 31770659, 41271282).

馬瑩玲(1991~ )，女，碩士研究生，主要研究方向為生態(tài)與環(huán)境。E-mail: 1076369512@qq.com

E-mail: ren.gao@fjnu.edu.cn