植物-土壤反馈理论及其在连作障碍管理中的应用

作为植物-土壤负反馈的典型现象,作物连作障碍严重制约了农业的可持续发展.概述了植物-土壤反馈理论的发展过程和作用原理,以连作障碍为例总结了该理论在农业生产中应用和发展现状,建议参照自然生态系统中的植物-土壤反馈作用理论,进一步解析农田植物多样性提高作物健康和产量的机制.通过构建多样性种植模式、发展强化根际微生物组功能等...     

林木根际微生态过程与细根寿命调控机制研究进展

细根在森林生态系统中具有重要的生物学和生态学地位。细根寿命取决于树种本身,也受控于环境条件。根际作为植物、土壤与微生物三者交互作用的区域,其中的微生态过程对细根寿命的调控具有决定意义。笔者基于当前国内外细根寿命调控的主要因素,分别从根际碳沉积与根际微生态过程、根系对根际微生物群落构建的影响、根际微生物对细根寿命调控的可能机制3个方面对根际微生物与根系的互作效应,及其对细根寿命调控机制的相关研究进展进行综述。在此基础上,提出了:①酚酸介导的植物-微生物化学对话机制是未来根土互作研究的重要领域;②根系与微生物互作主要以光合产物碳作为枢纽,根际碳沉积促进了土壤微生物在根际的定殖,进而导致根际的微生物群落在组成和结构上与非根际土壤的呈现显著差异;③根土互作过程中由根系和根际微生物产生的信号物质可能对根系的生长发育产生显著影响;④作为细菌的主要群感信号分子,酰化高丝氨酸内脂(AHLs)可参与调控根系细胞的凋亡;真菌侵染根系后也可能导致根内活性氧(ROS)累积,进而调控根系细胞凋亡。目前未见根际微生物参与根系寿命调控的研究报道。建议进一步构建细菌群落演变-群感信号表达-细根寿命关系模型,以及真菌侵染-活性氧信号内稳态调控-细根寿命关系模型,这些对深入揭示林木细根衰老和凋亡的微生态调控机制具有重要理论意义。     

"植物-土壤"相互反馈的关键生态学问题:格局、过程与机制

植物与土壤之间相互反馈的格局、过程与机制,不但是决定生态系统结构、功能及过程的关键科学问题,而且是陆地生态系统响应全球变化的重要组成部分。基于目前国内外研究现状,从养分循环角度剖析“植物-土壤”间的反馈效应,探明相互反馈在空间尺度(根面、根际、种类、生态系统以及区域等)与时间尺度(秒至千年)上的级联效应及其变化格局;阐明根际、植物种类、生态系统及区域地理等水平上“植物-土壤”的相互反馈机制,重点揭示根系分泌、共生、生长及代谢的根际界面过程对植物水分/养分吸收与土壤物理学修饰的调控机制,剖析“植物种类-凋落物化学-土壤生物-土壤有机质”相互作用对地上-地下养分循环过程的驱动机制,运用“上行-下行控制理论及腐屑食物网模型”揭示地上-地下生物群落交互作用的过程与机制,以及土壤地质演变(岩石风化模式、土壤形成模式及土壤养分格局的变化)与区域植被演替(优势种更替及植被分布模式、地上-地下凋落物输入格局等的变化)相互反馈的过程与机制;从“植物-土壤”相互反馈的理论视角,分析生态退化与恢复、外来物种生态入侵、大气氮沉降、二氧化碳浓度升高以及植物多样性减少等全球生态问题的特征、形成机制以及可能的应对策略,揭示生态系统“地上-地下”相互反馈的生态学过程,以及陆地生态系统对全球生态环境变化的响应特征与机理。     

根际微生物群落多样性在重金属土壤修复中的研究

植物根际微生物在植物修复重金属污染土壤时分泌的激素、铁载体、ＡＣＣ脱氨酶、黄酮类化合物和酚酸类等 有机物具有增强植物生长、促进植物根际对重金属吸收、转运和积累的作用,同时促进适应相应根际环境的功能微 生物群落的建立．文章结合作者课题组的研究结果,概述根际微生物在植物修复重金属污染土壤过程中的作用,总 结了根际细菌、真菌、古菌在植物修复中的作用,进一步分析了土壤污染类型、改良剂、根际植物的种类等对根际微 生物活动的影响,对今后植物修复重金属污染土壤过程中与根际微生物作用相关的研究进行了展望．     

植物与根际微生物关系的研究进展

农业生产中大面积应用化肥、农药提高作物产量的同时,也产生了极大的环境问题,并且使生产成本提高。随着现代生物科学技术的进步,人们对应用微生物来代替化肥和农药寄予了厚望,从而对植物与根际微生物关系的研究给予了高度重视。本文依据近30年国内外对植物与根际微生物关系研究的成果,对根际微生物的多样性、植物与根际微生物的相互作用、根际微生物与连作障碍的关系三个方面进行了综述,并提出了今后在植物与根际微生物方面需要深入研究的几个问题。     

杨树多代连作对土壤养分特征和生物活性的影响

以江苏丰县大沙河林场杨树多代连作人工林为对象,研究根际、非根际土壤的养分特征、酶活性及微生物数量变化,探讨多代连作对人工林地力的影响。结果表明:1杨树根际土养分含量、土壤酶(脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶)活性以及微生物(真菌、放线菌、细菌)数量均高于非根际土壤,而根际土pH和多酚氧化酶活性则低于非根际土;2土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性的增强以及微生物数量的增加有利于土壤有机质的累积及多数养分元素的转化,但多酚氧化酶活性越大,养分含量越低;土壤pH的下降对多数土壤酶活性及微生物有不利影响;真菌与土壤酶活性的整体相关性要比放线菌和细菌密切;3杨树多代连作,会造成根际土壤pH相对于非根际的降低,并且逐代连作后根际土壤pH下降更多,而杨树多代连作会造成根际土壤多酚氧化酶活性逐代的升高,还会造成根际土壤中养分、脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶及微生物的逐代减弱,其中有些指标甚至会低于非根际土壤。综上,在江苏丰县应避免杨树连作,可更换品种或进行树种轮栽以缓解连作对地力带来的不利影响,注重维系土壤酶活性和微生物数量水平,同时采取措施减弱土壤的酸化程度。     

杨树多代连作对土壤养分特征和生物活性的影响

以江苏丰县大沙河林场杨树多代连作人工林为对象,研究根际、非根际土壤的养分特征、酶活性及微生物数量变化,探讨多代连作对人工林地力的影响。结果表明:1杨树根际土养分含量、土壤酶(脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶)活性以及微生物(真菌、放线菌、细菌)数量均高于非根际土壤,而根际土pH和多酚氧化酶活性则低于非根际土;2土壤脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶活性的增强以及微生物数量的增加有利于土壤有机质的累积及多数养分元素的转化,但多酚氧化酶活性越大,养分含量越低;土壤pH的下降对多数土壤酶活性及微生物有不利影响;真菌与土壤酶活性的整体相关性要比放线菌和细菌密切;3杨树多代连作,会造成根际土壤pH相对于非根际的降低,并且逐代连作后根际土壤pH下降更多,而杨树多代连作会造成根际土壤多酚氧化酶活性逐代的升高,还会造成根际土壤中养分、脲酶、蔗糖酶、碱性磷酸酶、过氧化氢酶及微生物的逐代减弱,其中有些指标甚至会低于非根际土壤。综上,在江苏丰县应避免杨树连作,可更换品种或进行树种轮栽以缓解连作对地力带来的不利影响,注重维系土壤酶活性和微生物数量水平,同时采取措施减弱土壤的酸化程度。     

植物根际细菌的促生机制

植物根际促生细菌是指生活在植物根系土壤的一类可促进植物对矿质营养的吸收和利用,并能抑制有害微生物从而促进植物生长的益生菌类。人们对植物根际促生细菌的作用机制进行了广泛深入的研究。对植物根际促生细菌的促生机制进行综述。     

附子/水稻套作模式下附子根际土壤微生物结构研究

为探讨附子/水稻套作模式缓解道地附子连作障碍的相关机制,以传统附子/玉米套作模式(A/M)为对照,通过2年田间定位试验,分析了附子/水稻套作模式(A/R)下附子根际土壤微生物数量、群落结构和多样性的差异。结果表明:A/R模式下,土壤微生物磷脂脂肪酸(PLFA)总量、真菌和细菌PLFA含量、革兰氏阳性菌(G~+)和革兰氏阴性菌(G~-)PLFA含量及原生动物和放线菌PLFA含量均显著高于A/M模式(P0.05),2017年分别增加7.22,0.93,5.23,1.11,1.25,0.24,0.33 nmol/g,2018年分别增加4.46,0.42,2.73,1.48,0.96,0.02,0.16 nmol/g;A/R显著提高了根际土壤真菌/细菌PLFA含量比值(P0.05),同时降低了根际土壤G~+/G~-PLFA含量比值;A/R根际土壤微生物多样性指数、均匀度指数及优势度指数均显著高于A/M(P0.05)。A/R模式下土壤微生物数量和多样性增加、群落结构优化可能是该模式能有效缓解附子连作障碍的重要原因。     

雀稗-博落回间作强化修复铀污染土壤的研究

采用铀富集植物博落回与雀稗进行间作,开展了强化修复铀污染土壤的试验,对各植物富集铀的性能以及根际土壤中可交换态铀的浓度、酶的活性及微生物群落结构的变化进行了研究。结果表明,与雀稗、博落回单作相比,雀稗-博落回间作下,它们的铀富集总量分别达到了0.25 mg/株、1.2 mg/株,铀的富集总量分别提高了38.89%、34.83%,转移系数分别提高了40.00%、43.48%;根际土壤中Acidobateria等耐受菌比例升高,提高了植物对铀的耐受性,根际土壤酶活性增强,间接提高了植物的生物量,根际土壤中Aspergillus等真菌分泌的有机酸与铀形成螯合物,增加了生物可利用态铀的比例。这些可能是雀稗-博落回间作能强化修复铀污染土壤的主要机理。     

我国草地植物根际研究展望

根际(Rhizosphere)是土壤—植物生态系统物质交换的活跃界面。在农业和林业领域,对植物根际已经开展了大量研究,但是对草地植物的研究仍然少有报道。草地植物物种丰富,生态系统复杂,要对草地生态系统的物流有正确的认识,根际这一土壤-植物界面是重要的方面,需要对草地植物根际开展研究。文章从植物根际矿质营养、根际微生物、根际分泌物等几个方面研究作一介绍,并总结农业和林业方面的根际研究热点,对草地植物根际的研究作一展望。     

河岸带植物根际苄嘧磺隆降解与微生物学特征

对芦苇、茭白、菖蒲3种河岸带植物根际苄嘧磺隆降解过程及微生物生态学特征进行研究.结果表明,不同河岸带植物对苄嘧磺隆的根际降解的增强效应存在显著差异,其降解速率大小依次为:菖蒲>芦苇>茭白.培养结束时,菖蒲根际土壤苄嘧磺隆的残留量较芦苇和茭白分别降低了23.1%和32.2%.在苄嘧磺隆作用下,供试3种河岸带植物根际脱氢酶活性表现出先激活后抑制,再恢复的变化趋势,而对脲酶和磷酸酶的影响均表现出抑制效应.苄嘧磺隆施加明显降低了河岸带植物根际土壤微生物的数量,特别是对细菌和真菌的数量的影响更为明显.与芦苇和茭白相比,菖蒲根际土壤具有更高的酶活性和微生物数量,说明该植物根际土壤中微生物对苄嘧磺隆污染具有较好的缓冲作用,从而大大增强了苄嘧磺隆生物降解效应.     

基于高通量测序技术的连作杨树人工林土壤细菌多样性研究

土壤细菌在土壤微生物中占有重要地位,在土壤环境中具有十分重要的生态功能。为了了解杨树人工林根际和非根际土壤的细菌群落结构,明确连作对杨树土壤细菌多样性的影响,采用454焦磷酸测序技术对连作杨树人工林根际土壤和非根际土壤细菌群落多样性进行分析。结果表明,根际土壤共得到了3 036个OTU,非根际土壤共得到了3 051个OTU,两组样品共同包含的OTU共有1 404个。两组土壤的共有细菌群落有12个,其中Proteobacteria、Acidobacteria、Actinobacteria为优势菌群。从丰富度指数Chao1和多样性指数Shannon角度分析,发现连作导致根际土壤和非根际土壤细菌的丰富度和多样性都有所下降,且根际土壤细菌群落的改变更为显著。     

AM真菌克服作物连作障碍的潜力

连作障碍是农业生产和设施栽培模式下的主要限制因子之一。连作障碍主要与土壤微生物区系的变化、土壤理化性状的变化和根系分泌物的自毒作用三方面密切相关。已有证据表明,丛枝菌根(AM)真菌在一定程度上能够克服连作障碍。这很可能与AM真菌减少有害生物数量,改变土壤微生物区系、改善土壤理化性状、提高植物防御性酶活性、改变根系分泌物的种类与数量等生理功能有关。正确合理评价AM真菌克服作物连作障碍的潜力,可为连作障碍提供新的解决途径,并为建立和发展新的生物技术提供依据。     

锡林河流域退化草场羊草根际土壤酶活性的初步研究

本文是报道退化草场羊草根际土壤酶活性的分布动态以及羊草根际土壤酶活性与植物地上生物量和羊草根际土壤微生物生物量关系的初步探讨。研究数据表明:围栏封育区内的各种处理试验区中的羊草根际土壤酶活性强度均比栏外退化草场对照区高,另外酶活性强度与植物地上生物量及羊草根际土壤微生物生物量的变化趋势竞相类似。由此可以说明,在治理和改良退化羊草草场时采取围栏封育或翻耕补播或耙地补播羊草等人工措施是行之有效的,并对加速退化草场的恢复亦有一定的实践意义和一定的经济效益。     

利用植物-根际菌协同作用修复石油污染土壤

通过盆栽试验,初步探究根际微生物和植物协同作用对石油污染土壤的生物修复效果的影响。选择根瘤菌、石油烃降解菌、根际促生菌并与豆科植物扁豆的不同组合为调控因子,通过盆栽试验,进行了土壤石油污染物生物降解的初步研究。结果表明:在修复过程中扁豆与根际微生物均能提高土壤石油降解率并存在一定的协同作用。处理前,石油土壤的污染水平为8.75%,经过56 d的修复试验,对照组的土壤石油污染降解率为27.08%;种植扁豆裸土组的土壤石油污染降解率为44.81%,比对照组提升了17.73%;添加微生物裸土组的土壤石油污染降解率最大为70.57%;种植扁豆并添加微生物组的土壤石油污染降解率为83.05%。种植植物对土壤石油污染修复有较好的作用,同时合理添加各种微生物,利用协同作用能明显提高修复的效果。     

转基因小黑杨根际土壤微生物群落特征研究

【目的】根际土壤细菌及真菌群落组成不仅受植物种类及植物生长时期等影响,外源基因的导入也可改变根际微生物群落组成。通过基因工程技术获得的转betA或转TaLEA基因小黑杨(populus simonii x p.nigra)能够提高甜菜碱或晚期胚胎富集蛋白的含量,进而增强转基因植物的抗旱耐盐性,PsnWRKY70是胁迫应答信号转导网络中的负调控因子,WRKY70干扰表达小黑杨的耐盐性显著高于对照株系。在明确了转betA、转TaLEA、转WRKY70小黑杨抗旱耐盐性的同时,开展转基因小黑杨根际土壤细菌、真菌群落组成分析,为其环境生态安全性评价提供参考。【方法】以2年生转TaLEA、betA、WRKY70基因小黑杨及对照野生型(WT)小黑杨根际土壤为试材,利用Illumina-Miseq高通量测序平台对根际土壤微生物进行16S rRNA和ITS测序分析,对根际土壤细菌和真菌群落丰富度和多样性变化、结构差异性、群落组成进行分析,了解转基因活动对小黑杨根际土壤微生物组成的影响。【结果】Alpha多样性分析显示,针对根际细菌群落组成,转betA小黑杨的Simpson指数显著低于WT小黑杨,而转WR...     

石油污染土壤植物根际微生态环境与降解效应

利用大庆油田石油开采区的污染土壤作为供试土壤,选择紫花苜蓿和披碱草为供试植物,通过监测根系微生物活性、石油烃降解效率等指标,建立植物根际微生态环境生物和非生物因子之间的量化关系,揭示污染土壤石油烃降解效应和影响要素.研究结果表明,植物根系可改善污染土壤持水能力和微生物活性,与无根系土壤相比,提高含水率达10%. 植物根际微生物的数量高出1～2个数量级, FDA(荧光素双醋酸酯)活性高出0.29～0.36. 经过150 d的降解,植物根际油污土中石油烃的降解率比无根系土壤高 9.1%～15.5%. 污染土壤植物根际微生态环境对微生物活性具有诱导作用,有利于石油烃的降解和污染土层的生物修复.     

模拟酸雨对白术根际微生物的影响

用不同pH值的模拟酸雨处理中药植株白术及其种植土壤,测定了白术根际微生物数量的变化.结果表明,酸雨影响白术根际微生物的生长,根际微生物总量随酸雨酸度的加大而减少;酸雨对白术根际环境中的细菌、放线菌、氮素生理群和碳素转化菌都有明显的抑制作用;适当的酸雨刺激（pH为5.0、4.5）促进了真菌的生长,但当酸雨pH＜4.5时,则抑制真菌的生长.植物根系的存在,可使酸雨对根际微生物各个类群的影响不同于非根际土壤微生物.     

基于基因芯片技术的石油污染土壤微生物群落结构

为了研究不同微生态环境条件下的微生物群落结构特征,以中国大庆油田典型污染场地土壤为研究对象,利用基因芯片技术分析在石油污染、调节氮磷营养、种植植物(紫花苜蓿、高羊茅和羊草)等不同微生态环境下的土壤微生物群落结构特征。研究结果表明:植物根际作用对微生物群落结构的影响最大,石油污染水平次之,营养水平最小。植物根际作用主要通过碳代谢、碳固定等过程产生影响。土壤石油污染水平主要通过土壤的碳代谢过程产生影响,明显抑制微生物生长,土壤基因数量与污染水平呈显著负相关。与碳代谢相关的微生物群落是能基本反映石油污染土壤整体微生物群落结构的关键群落。