辛?xí)造o, 劉　磊, 申俊芳, 趙念席，高玉葆

南開(kāi)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 天津　300071

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羊草基因型數(shù)目與氮添加對(duì)土壤微生物群落的交互影響

辛?xí)造o, 劉磊, 申俊芳, 趙念席*，高玉葆

南開(kāi)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 天津300071

物種多樣性(或同一物種遺傳多樣性)減少和氮富集都是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)程的主要因素，它們之間的交互作用是否對(duì)土壤微生物群落產(chǎn)生顯著影響已成為研究者關(guān)心的主要科學(xué)問(wèn)題。研究羊草基因型數(shù)目(1、2、4三種基因型數(shù)目組合)和氮添加(無(wú)氮添加、低氮添加和高氮添加3種水平)對(duì)土壤微生物群落的總磷脂脂肪酸(PLFA，Phospholipid Fatty Acid)含量、細(xì)菌PLFA生物標(biāo)記含量、真菌PLFA生物標(biāo)記含量、真菌/細(xì)菌比、以及基于每個(gè)PLFA生物標(biāo)記相對(duì)含量百分比所得微生物群落的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)的影響。結(jié)果表明：氮添加對(duì)細(xì)菌PLFA生物標(biāo)記含量，以及土壤微生物PLFA生物標(biāo)記的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)具有顯著影響(P<0.05)；基因型數(shù)目對(duì)所測(cè)變量無(wú)顯著影響(P> 0.05)，但基因型數(shù)目和氮添加的交互作用對(duì)細(xì)菌PLFA生物標(biāo)記含量和真菌/細(xì)菌比具有顯著影響(P<0.05)。研究結(jié)果為全球變化背景下氮沉降及重要物種種群數(shù)量減少對(duì)土壤微生物群落的影響提供了科學(xué)數(shù)據(jù)，為合理解釋群落動(dòng)態(tài)變化提供了數(shù)據(jù)支持。

基因型數(shù)目；氮添加；微生物群落；羊草

化石燃料燃燒(導(dǎo)致大氣氮沉降)、施肥措施(氮添加)等人類(lèi)活動(dòng)的加劇，導(dǎo)致全球氮富集逐漸增加[1]，已經(jīng)對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了非常顯著的影響[2]，這些影響既包括對(duì)地上部植物多樣性(物種多樣性和同一物種遺傳多樣性)變化的影響，也包括對(duì)地下微生物群落組成和結(jié)構(gòu)的影響，使氮富集成為引起群落退化的主要因素之一。如Zavaleta等在加里福尼亞草原生物保護(hù)區(qū)進(jìn)行了為期3a的模擬氮沉降實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)氮沉降使實(shí)驗(yàn)區(qū)的植物種類(lèi)減少5%[3]；Schmidt等對(duì)一苔原群落模擬氮添加的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，氮添加引起土壤微生物的含量降低且結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化[4]。

隨著群落植物多樣性的改變，土壤微生物多樣性及其功能也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化[5]。一方面是由于不同植物個(gè)體(種類(lèi))輸入土壤的有機(jī)質(zhì)類(lèi)型、復(fù)雜性及總量不同而直接影響地下微生物群落[6]；另一方面，植物性狀如地上生物量、根系深度和密度以及根冠比的種間(種內(nèi))差異可特異性地影響土壤環(huán)境，如濕度、溫度、pH等，從而間接影響土壤微生物群落[7-8]。近年來(lái)，在物種較少、相對(duì)脆弱的生態(tài)系統(tǒng)中，重要物種基因型多樣性表現(xiàn)出與群落內(nèi)物種多樣性相似的生態(tài)功能被廣泛證實(shí)，如與較少基因型個(gè)體組成的種群相比，多基因型個(gè)體組成的種群能提高地上部初級(jí)生產(chǎn)力、增加地上部節(jié)肢動(dòng)物的多樣性、加速凋落物分解等[9-11]，但基因型數(shù)目是否對(duì)土壤微生物群落產(chǎn)生影響的研究則剛剛起步[12-13]，Schweitzer等研究發(fā)現(xiàn)，隨楊樹(shù)(Populus)基因多樣性增加，土壤微生物群落組成呈單峰變化，這可能與基因多樣性能改變土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的可利用性有關(guān)[13]。

植物多樣性(種間和種內(nèi)水平)減少和氮富集對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響很早就受到了生態(tài)學(xué)家的廣泛關(guān)注[14-15]，已有相關(guān)研究分別探討了植物多樣性減少或氮添加單一因素對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的影響[2,5]，而關(guān)于這兩個(gè)因子的交互作用是否影響生態(tài)系統(tǒng)功能的相關(guān)研究卻很少[16-18]，關(guān)注它們是否交互影響土壤微生物群落的研究則更少[17-18]。受全球變化(氮沉降、干旱、過(guò)度放牧等因素)的影響，中國(guó)北方典型草原退化嚴(yán)重，已有研究證實(shí)氮添加導(dǎo)致群落建群種羊草(Leymuschinensis)和大針茅(Stipagrandis)等多年生禾草數(shù)量降低[19]，但建群種種群數(shù)量減少是否會(huì)與氮添加交互影響生態(tài)系統(tǒng)功能(如土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)與功能)的相關(guān)研究還未展開(kāi)。

羊草作為內(nèi)蒙古草原的建群種之一，具有生態(tài)幅廣、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。另外，羊草作為根莖型禾草，通過(guò)克隆繁殖，某個(gè)特定的基因型在群落中也能起到很重要的作用。最近有研究發(fā)現(xiàn)，不同基因型羊草數(shù)量性狀間存在分化(包括與生長(zhǎng)相關(guān)的比葉面積、與防御相關(guān)的葉片總酚濃度等等)，且這種分化具有遺傳基礎(chǔ)[20]；多基因型組合羊草種群在提高種群生產(chǎn)力以及抗干擾方面存在正效應(yīng)，對(duì)正效應(yīng)起主要貢獻(xiàn)的是類(lèi)似于物種之間的生態(tài)位互補(bǔ)效應(yīng)[21]。因此，本研究以該區(qū)域重要建群種羊草為研究對(duì)象，構(gòu)建不同基因型組合的羊草種群，通過(guò)氮添加模擬氮沉降，在人工控制條件下研究羊草基因型數(shù)目、氮添加以及它們的交互作用對(duì)羊草地下部微生物群落組成和結(jié)構(gòu)的影響。以期在大氣氮沉降逐漸增加的背景下，探討羊草(Leymuschinensis)種群基因型多樣性在保持內(nèi)蒙古溫帶典型草原土壤微生物多樣性方面的作用。重點(diǎn)關(guān)注以下問(wèn)題：(1)羊草基因型數(shù)目對(duì)土壤微生物群落的組成及結(jié)構(gòu)是否影響顯著；(2)氮添加如何影響土壤微生物群落的含量及多樣性；(3)羊草基因型數(shù)目和氮添加的交互作用是否影響土壤微生物群落的組成及結(jié)構(gòu)。

1　材料和方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用羊草為2010年于內(nèi)蒙古錫林浩特市阿巴嘎典型草原西界采集的羊草基株，利用ISSR分子標(biāo)記(AG)7T和(CA)6A確定不同基因型基株[22]，并編號(hào)。在相同條件下培養(yǎng)，除去母體效應(yīng)，通過(guò)根莖無(wú)性繁殖得到同一基因型的大量分蘗。2014年6月19日，利用這些羊草分蘗進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)采用兩因素三水平隨機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素一為氮添加，包括無(wú)氮添加(N0)、低氮添加(NL)及高氮添加(NH)3個(gè)水平，因素二為羊草基因型數(shù)目，包括單基因型(G1)、兩基因型(G2)及四基因型(G4)3種基因型數(shù)目組合，共構(gòu)建9種處理的實(shí)驗(yàn)種群。在直徑19cm的塑料盆中，放入2.5kg的砂土和50g內(nèi)蒙古典型草原區(qū)羊草草原原生生境地表新鮮土壤，每盆中分別移栽4株羊草單株分蘗。本實(shí)驗(yàn)共使用9種羊草基因型，每種氮添加處理下，移栽單基因型(G1)9盆，兩基因型組合(G2)5盆，四基因型組合(G4)3盆，共17盆；3種氮添加處理總共51盆，基因型組合方式見(jiàn)表1。移栽時(shí)，將羊草基株的分蘗統(tǒng)一去除根莖并以基因型編號(hào)進(jìn)行標(biāo)記，修剪使得地上部高度為15cm，地下根系長(zhǎng)度為10cm，地上部葉片數(shù)為4片。對(duì)移栽1周內(nèi)死去的分蘗重新種植。

表1　本研究所用基因型組合方式Table 1　Genotype combinations in the present study

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間恢復(fù)生長(zhǎng)，2014年8月13日，對(duì)實(shí)驗(yàn)種群進(jìn)行氮添加處理，無(wú)氮添加(N0)、低氮添加(NL)和高氮添加(NH)為每周每盆分別施加0、10、30 mL的0.0125 mol/L NH4NO3溶液，按全年52周計(jì)算，對(duì)應(yīng)的施氮量分別為0、6.42、19.24 g N/m2/a，施氮標(biāo)準(zhǔn)參照齊玉春等[23]、張菊等[24]略作改動(dòng)；本實(shí)驗(yàn)共施氮16次。實(shí)驗(yàn)期間，土壤濕度控制在(10 ± 2)% 左右，除定期施加NH4NO3溶液外，無(wú)其他營(yíng)養(yǎng)添加，定期除去雜草，無(wú)高溫和遮陽(yáng)等脅迫；所有盆隨機(jī)放置，每周更換位置以避免位置效應(yīng)。2014年11月28日，收集每盆中間位置的土壤作為根系土，立即過(guò)直徑1 mm篩，除去植物殘余根系后于-80℃冰凍保存，用于土壤微生物磷脂脂肪酸(PLFA, Phospholipid Fatty Acid)生物標(biāo)記分析。

本研究采用磷脂脂肪酸(Phospholipid Fatty Acid, PLFA)溫和甲酯化法[25]進(jìn)行土壤微生物PLFA生物標(biāo)記提取，利用氣質(zhì)聯(lián)用色譜分析儀(Agilent 7890GC 5975MSD)進(jìn)行PLFA生物標(biāo)記分離及鑒定[26]。對(duì)C14—C20之間成功分離的PLFA生物標(biāo)記進(jìn)行含量計(jì)算及表征分類(lèi)[27]。其中，表征細(xì)菌的為i14:0、i15:0、16:1ω7c、a16:0、i16:0、cy17:0、i17:0、17:0、18:1ω7c；表征真菌的為18:2ω6，9c、18:1ω9c[27-28]。

1.3數(shù)據(jù)分析

PLFA生物標(biāo)記含量計(jì)算公式為：

PLFA(nmol/g干重)=(PPLFA×S×V)÷(POSTD×D×R×W×M)

式中，PPLFA和POSTD分別是樣品和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的峰值面積，S為內(nèi)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的濃度(ng/μL)，D為稀釋倍數(shù)，R為分取倍數(shù)，V為樣品的測(cè)定體積(μL)，W為土壤干重(g干重)，M為相應(yīng)的PLFA的相對(duì)分子質(zhì)量。

PLFA生物標(biāo)記生態(tài)學(xué)參數(shù)：

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(Shannon-Wiener diversity index)[29]：

H=-∑pilgpi

Simpson優(yōu)勢(shì)度(Simpson dominance index)[30]：

式中，pi為第i種PLFA生物標(biāo)記在樣品中的相對(duì)含量百分比。

將樣品中是否檢測(cè)到某一特定PLFA標(biāo)記為1或0構(gòu)建0、1矩陣，基于矩陣計(jì)算樣品間的Jaccard′s相似性系數(shù)，并基于相似性系數(shù)構(gòu)建UPGMA聚類(lèi)圖；統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣品中檢測(cè)到的PLFA生物標(biāo)記總數(shù)及表征細(xì)菌、真菌和未分類(lèi)的PLFA生物標(biāo)記種類(lèi)數(shù)。

由于本研究中各處理間重復(fù)不等，因此采用混合線性模型(Mixed model)雙因素分析來(lái)檢驗(yàn)羊草基因型數(shù)目、氮添加以及它們的交互作用對(duì)土壤微生物群落組成和結(jié)構(gòu)(PLFA總量，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度，細(xì)菌PLFA生物標(biāo)記含量，真菌PLFA生物標(biāo)記含量，真菌/細(xì)菌比)以及檢測(cè)得到的生物標(biāo)記種類(lèi)數(shù)的影響，羊草基因型數(shù)目和氮添加設(shè)為固定因子。對(duì)于雙因素分析中被檢測(cè)的受交互作用顯著影響的變量，進(jìn)一步進(jìn)行簡(jiǎn)單效應(yīng)分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)Duncan檢驗(yàn)來(lái)檢測(cè)相同的氮添加(基因型數(shù)目)條件下，基因型數(shù)目(氮添加)是否對(duì)該變量平均值影響顯著；而對(duì)僅受單一因素顯著影響的變量，進(jìn)一步利用單因素方差分析(one-way ANOVA)多重比較Duncan檢驗(yàn)來(lái)檢測(cè)不同處理是否對(duì)該變量的平均值影響顯著。以上數(shù)據(jù)分析利用SPSS 21.0完成，在進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換以滿足正態(tài)分布和方差齊性。

2　結(jié)果與分析

2.1不同處理下土壤微生物PLFA生物標(biāo)記種類(lèi)

對(duì)C14—C20PLFA生物標(biāo)記進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共得到41種生物標(biāo)記，每個(gè)樣品中得到的5 —15種PLFA生物標(biāo)記，其中低氮添加四基因型組合(NLG4)處理組的一份樣品中檢測(cè)到的PLFA生物標(biāo)記最少，而無(wú)氮添加兩基因型組合(N0G2)處理組的一份樣品中檢測(cè)到的PLFA生物標(biāo)記最多。沒(méi)有任何PLFA生物標(biāo)記出現(xiàn)在所有樣品中。只有兩種PLFA生物標(biāo)記，16:0和18:0，在大于45份樣品中被檢測(cè)到。其中，16:0在無(wú)氮添加單基因型(N0G1)、低氮添加單基因型(NLG1)和無(wú)氮添加兩基因型組合(N0G2)的一些樣品中未被檢測(cè)到，而18:0在低氮添加多基因型組合(NLG2和NLG4)各一個(gè)樣品中未檢測(cè)到。有8種PLFA生物標(biāo)記僅在一個(gè)樣品中被檢測(cè)到(表2)。

對(duì)不同處理得到的PLFA生物標(biāo)記的種類(lèi)數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)總PLFA生物標(biāo)記和未分類(lèi)PLFA生物標(biāo)記在處理間無(wú)顯著差異，而細(xì)菌PLFA生物標(biāo)記和真菌PLFA生物標(biāo)記在處理間差異顯著(P< 0.05)。細(xì)菌PLFA生物標(biāo)記種類(lèi)數(shù)最高的出現(xiàn)在無(wú)氮添加四基因型組合(N0G4)處理組，顯著高于高氮添加單基因型(NHG1)和低氮添加多基因型組合(NLG2和NLG4)處理組；而真菌PLFA生物標(biāo)記在3個(gè)高氮處理組較高，顯著高于其他處理組(無(wú)氮添加單基因型N0G1除外)(表3)。

表2　51份土壤樣品中檢測(cè)得到的PLFA生物標(biāo)記種類(lèi)及歸類(lèi)情況Table 2　The type and classification of PLFA biomarkers detected in 51 soil samples

表3　不同處理對(duì)土壤微生物PLFA生物標(biāo)記的種類(lèi)數(shù)的影響Table 3　The effects of different treatments on the amount of microbial PLFA biomarkers(mean ± SE)

2.2不同處理對(duì)土壤微生物群落組成及結(jié)構(gòu)的影響

雙因素分析結(jié)果顯示，羊草基因型數(shù)目、氮添加以及它們的交互作用對(duì)總PLFA生物標(biāo)記和真菌PLFA生物標(biāo)記含量均無(wú)顯著影響，而氮添加對(duì)細(xì)菌PLFA生物標(biāo)記含量、群落Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)具有顯著影響，即氮添加主效應(yīng)顯著；氮添加和基因型數(shù)目交互作用對(duì)細(xì)菌PLFA生物標(biāo)記含量、真菌/細(xì)菌比具有顯著影響(表4)。對(duì)受交互作用顯著影響的兩個(gè)變量(細(xì)菌PLFA生物標(biāo)記含量和真菌/細(xì)菌比)，進(jìn)一步進(jìn)行簡(jiǎn)單效應(yīng)分析，結(jié)果顯示：在基因型數(shù)目為2(G2)的條件下，低氮添加顯著降低了細(xì)菌PLFA生物標(biāo)記含量，其他條件下未檢測(cè)到對(duì)細(xì)菌PLFA生物標(biāo)記含量的顯著影響；而氮添加對(duì)單基因型和四基因型組合真菌/細(xì)菌比均具有顯著影響，但無(wú)規(guī)律可循(圖1)。無(wú)氮添加(N0)條件下，基因型數(shù)目的增加顯著影響了真菌/細(xì)菌比，單基因型(G1)條件下真菌/細(xì)菌比顯著高于多基因型條件下的真菌/細(xì)菌比(圖1)。對(duì)僅受氮添加影響的兩個(gè)變量進(jìn)行多重比較分析，結(jié)果顯示：Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Simpson優(yōu)勢(shì)度表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，均為無(wú)氮添加(N0)處理顯著高于低氮添加(NL)處理組，且這種差異主要體現(xiàn)在無(wú)氮添加單基因型(N0G1)組顯著高于低氮添加四基因型組合(NLG4)組(表4，圖2)。

表4　羊草基因型數(shù)目、氮添加及其交互作用對(duì)根際土壤微生物群落的影響Table 4　The effects of genotype number, nitrogen addition and their interactions on the responses of microbial community

e圖1　不同處理?xiàng)l件下細(xì)菌PLFA生物標(biāo)記含量及真菌/細(xì)菌比Fig.1　The biomass of bacterial PLFA biomarkers and fungal to bacterial ratio under different treatmentsN0、NL和NH分別表示無(wú)氮添加、低氮添加和高氮添加，G4、G2和G1分別表示四基因型組合、兩基因型組合和單基因型;相同字母表示處理間差異不顯著(P > 0.05)，其中，英文字母表示相同基因型數(shù)目，氮添加處理的影響；而希臘字母表示相同氮添加條件下，基因型數(shù)目的影響

圖2　不同處理?xiàng)l件下土壤微生物群落Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)Fig.2　Shannon-Weiner diversity index and Simpson dominance index of microbial community under different treatments相同字母表示處理間差異不顯著(P > 0.05)

2.3根系微生物群落相似性研究

將土壤微生物PLFA生物標(biāo)記按1或0統(tǒng)計(jì)(表2)后進(jìn)行Jaccard′s相似性系數(shù)計(jì)算(數(shù)據(jù)略)，并基于相似性系數(shù)矩陣得到UPGMA聚類(lèi)圖。聚類(lèi)結(jié)果可以看出，有兩個(gè)明顯的組群與處理有關(guān)：第1組群以高氮添加(NH)為主，而第2個(gè)組群以單基因型(G1)種群為主，這一結(jié)果表明高氮添加(或物種基因型減少)會(huì)使地下部分微生物群落組成更相似。

圖3　不同處理的微生物群落PLFA生物標(biāo)記聚類(lèi)分析Fig.3　Cluster analysis of microbial PLFA biomarkers with different treatments

3　討論

植物多樣性(種間和種內(nèi))與氮添加的交互作用是否影響土壤微生物群落組成和結(jié)構(gòu)的研究剛剛起步，Chung等[17]對(duì)美國(guó)明尼蘇達(dá)中東部天然草原以及Strecker等[18]對(duì)德國(guó)薩勒河附近一半天然草地的研究均未檢測(cè)到植物多樣性與氮添加交互作用對(duì)土壤微生物群落的組成和結(jié)構(gòu)具有顯著影響，但Chung等研究發(fā)現(xiàn)植物物種多樣性和氮添加的交互作用對(duì)土壤凋落物分解過(guò)程中的兩個(gè)重要酶(β-葡萄糖苷酶和過(guò)氧化物酶)影響顯著，并分析這可能是通過(guò)凋落物生化性質(zhì)的改變而發(fā)生的。本文以中國(guó)北方草原重要建群種羊草為研究對(duì)象，首次研究了植物種內(nèi)基因型數(shù)目與氮添加的交互作用對(duì)土壤微生物群落組成和結(jié)構(gòu)的及PLFA生物標(biāo)記數(shù)量特征的影響，未檢測(cè)到羊草基因型數(shù)目與氮添加交互作用對(duì)土壤微生物總PLFA生物標(biāo)記含量的顯著影響，這與前面提及的研究結(jié)果相似。但雙因素分析發(fā)現(xiàn)兩者的交互作用對(duì)細(xì)菌PLFA生物標(biāo)記含量及真菌/細(xì)菌比具有顯著影響(表4)，即羊草基因型數(shù)目和氮添加交互作用對(duì)土壤微生物的組成和結(jié)構(gòu)均具有顯著影響。這一結(jié)果與本研究為人工控制條件，所受干擾因素較少有關(guān)，也充分說(shuō)明了羊草的多基因型效應(yīng)受環(huán)境因素的影響顯著[21]。進(jìn)一步簡(jiǎn)單效應(yīng)的分析結(jié)果顯示，在無(wú)氮添加處理下，基因型數(shù)目對(duì)微生物含量及真菌/細(xì)菌比影響顯著，而氮添加將限制這種影響(表4)；聚類(lèi)分析結(jié)果中組群1以高氮添加處理組為主(圖2)，這些結(jié)果表明氮添加使得不同基因型數(shù)目羊草種群下土壤微生物群落的組成和結(jié)構(gòu)更趨同，支持Wei等提出的在草原生態(tài)系統(tǒng)中，氮富集將弱化植物-微生物相互關(guān)系的觀點(diǎn)，這可能與氮添加使得土壤微生物生長(zhǎng)從資源限制轉(zhuǎn)換為土壤酸性限制，減弱了植物碳對(duì)土壤微生物的限制，因而減弱了植物對(duì)土壤微生物的影響有關(guān)[31]。聚類(lèi)分析結(jié)果中組群2以無(wú)氮和低氮添加下的單基因型羊草為主(圖2)，說(shuō)明羊草種群基因型數(shù)目的減少也會(huì)使得地下土壤微生物群落的組成更趨同，但這種影響弱于高氮添加。

關(guān)于同種植物基因型數(shù)目與土壤微生物群落的組成和結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究剛剛起步，基于已有的物種多樣性與土壤微生物群落的組成及結(jié)構(gòu)的研究[32-34]，對(duì)兩者間的關(guān)系作了以下推測(cè)：(1)隨著基因型數(shù)目的增加，植物輸入土壤的次生代謝物發(fā)生改變，從而引起土壤氮的可利用性發(fā)生變化，使得土壤微生物群落組成呈顯著的單峰曲線，這種關(guān)系在Schweitzer等對(duì)楊屬(Populusspp.)植物研究時(shí)已經(jīng)被證實(shí)[13]。(2)由于基因型多樣性對(duì)種群生物量具有顯著的正效應(yīng)，因此隨著基因型數(shù)目的增加種群生物量增加，相應(yīng)的微生物量，特別是真菌含量增加。(3)植物生物量增加導(dǎo)致微生物量增加，進(jìn)而使得植物與微生物間對(duì)土壤資源的競(jìng)爭(zhēng)加劇而使得結(jié)果不確定。在本研究中，羊草基因型數(shù)目對(duì)所觀測(cè)的微生物群落含量組成和結(jié)構(gòu)各變量均無(wú)顯著影響，這可能與氮添加的主效應(yīng)有關(guān)(表4)；表3和圖1結(jié)果顯示，在無(wú)氮添加組，隨著基因型數(shù)目的增加，細(xì)菌PLFA生物標(biāo)記的數(shù)量增加而真菌PLFA生物標(biāo)記的數(shù)量減少，真菌/細(xì)菌比下降?？傮w上來(lái)看，植物基因型數(shù)目與微生物群落間的關(guān)系表現(xiàn)為不確定，支持推測(cè)(3)。

在全球變化的大背景下，大氣氮沉降對(duì)中國(guó)北方典型草原的影響已經(jīng)被很多研究證實(shí)，氮添加能減少群落多年生禾草的數(shù)量、降低同種密度或基因型多樣性[19,35]。羊草作為中國(guó)北方典型草原區(qū)最重要的建群種，在維持群落生態(tài)系統(tǒng)功能方面具有重要作用。本研究結(jié)果表明群落建群種羊草基因型數(shù)目降低及高氮添加會(huì)使得土壤微生物群落更趨同，基因型數(shù)目與氮添加的交互作用對(duì)土壤微生物群落組成及結(jié)構(gòu)具有顯著影響，這一研究結(jié)果不僅為全面理解植物多樣性與微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系提供數(shù)據(jù)補(bǔ)充，而且為氮沉降與基因型數(shù)目的交互作用如何影響土壤微生物群落的研究提供數(shù)據(jù)支持，對(duì)全球變化下生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)程的合理預(yù)測(cè)具有重要意義。

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Interactions between genotypic number and nitrogen addition on soil microbial communities in the population ofLeymuschinensis

XIN Xiaojing, LIU Lei, SHEN Junfang, ZHAO Nianxi*, GAO Yubao

CollegeofLifeScience,NankaiUniversity,Tianjin300071,China

Humans continue to transform the global nitrogen cycle at a record pace, through an increased combustion of fossil fuels, growing demand for nitrogen in agriculture and industry, and pervasive inefficiencies in its use, all of which has large impact on the health and processes in terrestrial and aquatic ecosystems worldwide. Studies on the effect of nitrogen addition on plant community showed that as the nitrogen input increases the biodiversity losses. Loss of biodiversity and increase in nitrogen inputs are two of the most crucial anthropogenic factors driving ecosystem processes. Both of them have received considerable attention in previous studies; however, information about their interactive effects on ecosystem function has been scarce. In particular, knowledge of how they interactively influence soil microbial communities and functions has been incomplete.Soil microbial communities can be affected directly by variations in the type, complexity, and amount of organic matter input to soils or indirectly via changes in the soil environment (e.g., soil moisture, temperature, and pH). Changes in any of these factors can influence physical and metabolic niche diversity in the soil, and therefore, may affect microbial diversity or composition. In recent years, the growing research has shown that genotypic diversity of dominant species has similar ecological effects as that of interspecific diversity in smaller species and relatively fragile ecosystems. Different genotypes vary in a multitude of traits including, but not limited to, growth rates, secondary metabolism, and physiological processes. Moreover, such variations have been shown to influence associated species (such as other plants, herbivores, soil microorganisms). Although only a few studies have tested the effects of genetic diversity on soil microbial communities, a few studies have shown that gene diversity inPopulusmay affect soil microbial communities and soil processes in ways similar to species diversity.Not only the number of species but also the density of the same species or genotypes decreased because of severe degradation in some areas of typical steppes of northern China. Atmospheric nitrogen deposition played an important role on plant diversity and soil microbial communities in the process of grassland degradation. Nitrogen addition has been proved to lead to a large reduction in species richness and loss of perennial grasses in mature communities of Inner Mongolia grasslands, and it was found that it reduces microbial diversity (e.g., functional diversity) in a semi-arid temperate steppe. In the present study, the effects of genotype number ofLeymuschinensis, nitrogen addition, and their interactions on the content and community structure of soil microbial communities were tested. The results are as follows. (1) Nitrogen addition had significant effects (P<0.05) on bacterial phospholipid fatty acid (PLFA) content, Shannon-Wiener diversity index, and Simpson dominance index. (2) The number ofLeymuschinensisgenotypes had no significant effect on observed variables (P> 0.05), but the interaction between the genotype number and nitrogen addition had a significant effect on bacterial PLFA content and fungal to bacterial ratios (P<0.05). These results provided the scientific data for the effects of nitrogen deposition and decrease in population size of important species on soil microbial community, and the exploration of community dynamics in a typical steppe of northern China in the context of global change.

genotypic number; nitrogen addition; microbial communities;Leymuschinensis

10.5846/stxb201506251289

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31570427)

2015-06-25;

2016-03-21

Corresponding author.E-mail: zhaonianxi@nankai.edu.cn

辛?xí)造o, 劉磊, 申俊芳, 趙念席，高玉葆.羊草基因型數(shù)目與氮添加對(duì)土壤微生物群落的交互影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(13):3923-3932.

Xin X J, Liu L, Shen J F, Zhao N X, Gao Y B.Interactions between genotypic number and nitrogen addition on soil microbial communities in the population ofLeymuschinensis.Acta Ecologica Sinica,2016,36(13):3923-3932.