燕麦人工草地固氮微生物群落对不同种植模式的响应

Oat is a high-grade crop in artificial grasslands for both agricultural and stockbreeding purposes. Measures such as intercropping and mixed sowing with other crops are common in alleviating continuous cropping obstacle of oats. Biological nitrogen fixation mediated by non-symbiotic diazotrophs is an essential pathway for nitrogen uptake of oats. However, mechanisms that how different planting strategies affect ecological and functional patterns of diazotrophs of oats are still less understood. The present project is conducted as a field plot-experiment in Duolun Restoration Ecology Station of the Institute of Botany, Chinese Academy of Sciences. The treatments include fallow fields as control, oats monocropping, oats intercropping with rapes and oats mixture sowing with rapes. To study the effects of planting patterns on diazotrophs within the root zone of oats, Illunima Miseq sequencing would be utilized based on the nitrogenase encoding gene nifH to investigate the diversity and community structure of root endophytic, rhizospheric and bulk soil diazotrophs of oats, while the abundance of the microbes would be determined by quantifying the nifH genes with quantitative PCR, also the activity of nitrogenase within roots and bulk soils of the oats would be examined by a acetylene reduction method. The project would provide scientific foundation for enhancing nitrogen fixation efficiency of oats and increasing production and quality of oat products in artificial grasslands.

燕麦是人工草地中一种优质的粮饲兼用型作物。与其它作物的间作和混播等种植方式是缓解燕麦连作障碍的有效手段。同时，非共生固氮微生物介导的固氮作用是促进人工草地中燕麦对氮素吸收的重要途径，而燕麦的不同种植模式对其根系范围内不同生境下固氮微生物的生态学特征及功能的影响机制目前尚不清楚。本项目以在中国科学院植物研究所多伦恢复生态学试验示范研究站设置的人工草地野外小区为试验平台，采取休耕、连作、与饲用油菜间作及与饲用油菜混播的方式，以固氮酶编码基因nifH为分子标记，使用Illumina Miseq测序技术研究燕麦的根内、根际土壤和非根际土壤中固氮微生物的多样性和群落结构，以及利用荧光定量PCR分析nifH基因的丰度，并通过乙炔还原法测定固氮酶的活性，以探究种植模式对燕麦根系范围内不同生境中固氮微生物的群落格局及固氮活性的调控作用。从而为优化燕麦的固氮能力以及提高燕麦的品质和产量提供科学理论基础。

土壤和根系微生物群落是植物生长发育的重要协作伙伴。然而，我们对典型草原地区的草地管理措施，尤其是人工草地的建植如何影响根系和土壤微生物一直了解较少。加深对这些影响机制的理解有助于我们对相关微生物资源进行更好地利用和保护。本项目以高通量测序和相关生物信息学方法为主要手段，通过利用多元统计和网络分析等数据分析方法，研究了：（1）内蒙古草原地区人工草地种植不同作物对土壤固氮微生物多样性、群落组成和共存格局的影响及其驱动因素；（2）燕麦人工草地在旱作和灌溉管理方式下4个燕麦栽培型，在燕麦花期前后2个阶段，根际和非根际土壤原核生物和真菌的多样性、群落结构和功能结构等生态学特征；（3）草地植物群落组成变化及植物性状对土壤主要微生物类群（包括细菌、真菌、原生动物）群落结构的影响机制。研究结果主要发现：（1）人工草地的作物种类是影响土壤固氮微生物群落结构和丰度的主要因素，其中苜蓿种植相对于燕麦种植的影响更大，这可能与苜蓿倾向于招募特定种类的共生固氮微生物有关。（2）燕麦生长期和人工草地的水分管理方式显著影响燕麦根际原核生物和真菌群落的群落结构，但不同燕麦栽培型和混播模式对上述指标的没有影响。此外，燕麦根际原核生物的多样性和群落功能结构的变异主要对燕麦生长期响应，而真菌多样性和群落功能结构则主要对水分管理方式响应。与之相反，根际原核生物的共存格局主要受水分影响，而真菌群落的共存格局主要受生长期影响。（3）通过研究草地植物群落与微生物群落之间的关系，我们发现植物群落组成和性状的变异是调控土壤微生物群落结构和组成的重要因子。本项目为理解人工草地建植和草地管理对根系/土壤微生物的影响机制方面提供了新的视角和理论依据。

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