土壤微生物功能群對苜蓿根瘤菌的影響

文│孫盛楠（揚州大學動物科學與技術學院）

土壤微生物功能群對苜蓿根瘤菌的影響

文│孫盛楠（揚州大學動物科學與技術學院）

苜蓿以其發達的根系和較強的固氮能力，極大地影響著土壤碳氮循環過程，并以“苜蓿-根瘤菌共生體”的形式共同適應土壤中生物與非生物環境的變化。多年來，國內外在揭示苜蓿-根瘤菌共生固氮機制方面取得了很大進展，但關于苜蓿-根瘤菌共生體對土壤碳氮循環中關鍵微生物過程的響應機制還不明確。未來需要深入研究土壤碳氮循環過程中關鍵微生物功能群對苜蓿-根瘤菌共生體的影響。

一、前言

苜蓿是豆科植物中最為重要的栽培牧草，苜蓿—根瘤菌共生體是一種高效的生物固氮體系。苜蓿根瘤菌在土壤養分循環中的生態位是植物—土壤—微生物界面研究中的重要部分。目前對苜蓿根瘤菌固氮基因及其表達調控、根瘤菌基因與寄主基因之間的信號傳遞、識別與物質交換、苜蓿根瘤菌結瘤基因的遺傳特征進行了大量的研究。關于生物共生機制，寄主制裁論（Punishment of cheaters）一直是被普遍接受的。該理論認為大部分的共生關系由大型物種所主導，例如細菌或昆蟲寄生于植物中，依靠植物供給生活所需營養與能量。很多研究也表明宿主可以有選擇地獎勵合作者并懲罰作弊者，例如豆科植物只為有固氮細菌寄生的根瘤提供食物和氧氣，并殺死其他無細菌寄生的根瘤。

而在2010年，以經濟學家E. Glen Weyl帶領的研究團隊利用雇傭契約理論來解釋了生物共生關系，他們發現共生體在進化過程中形成了一種互幫互助的機制，即一種平等的關系，而不是由宿主監督和管理他們的寄生者。那么，擺脫了宿主的主導作用，宿主與寄生者之間的共生關系除了互惠互助，還將受到外界生物與非生物因素的調控，例如土壤養分條件、土壤微生物群落結構等，都將對植物—微生物的共生關系產生一定的影響。

土壤微生物群落是土壤有機質或有機碳循環的重要驅動力，也是土壤碳氮循環的重要參與者。根瘤菌與苜蓿的結瘤和固氮不但與根瘤菌、植物自身的遺傳背景有關，還涉及根瘤菌與環境因子之間的相互調節，這其中就包括根瘤菌與土壤微生物功能群的相互作用。在應對環境條件變化時，苜蓿與根瘤菌并不是獨立存在的共生固氮系統，而是與土壤中的關鍵微生物功能群共同參與土壤碳氮循環過程。然而，目前在土壤養分的轉化利用過程中，關于土壤微生物功能群對苜蓿根瘤菌影響的研究十分有限，苜蓿根瘤菌在土壤氮循環中與關鍵微生物過程和固氮微生物的相互作用機制還不明確。

因此，必須將苜蓿根瘤菌與土壤中的微生物功能群聯系在一起，才能更加全面地反映植物—土壤—微生物三者在生態系統物質循環中的相互作用關系。苜蓿是“草—畜—肥—糧”物質循環系統中的重要組成成分，苜蓿根瘤菌對土壤氮的轉化將有效增強土壤肥力。以下重點探討土壤氮循環過程中微生物功能群對苜蓿根瘤菌的調控，明確苜蓿根瘤菌和微生物功能群在土壤氮循環過程中的相對貢獻，這對增強土壤肥力、保護土壤生態環境有著重要的意義，也為建立“土地—糧食—牧草—家畜”的草地農業管理體系提供基礎數據。

二、微生物功能群對土壤氮循環過程的影響

土壤微生物功能群分解和轉換碳氮的生物化學過程是生態系統碳—氮耦合循環的關鍵過程之一。土壤微生物介導的碳—氮耦合循環過程是由一系列氧化還原反應過程構成的。參與碳循環過程的微生物功能群包括甲烷營養型細菌、甲基營養型細菌、甲烷氧化菌、木質素降解菌、纖維素降解菌、固碳微生物等。土壤新鮮有機質轉化/礦化速率受微生物種群和活性的調控，微生物種群隨著土壤中木質素含量和木質素降解酶活性的變化而變化。氮循環中主要包括固氮細菌、硝化細菌、反硝化細菌、脫氨細菌、氨化細菌等。土壤微生物在氮循環的幾個主要轉化過程包括固氮、硝化、反硝化和礦化過程中的作用正逐漸為人們所認識。

在土壤碳氮循環過程中，土壤酶已被公認為是影響該過程的重要因素，參與土壤中氮分解和循環的酶包括生物固氮酶、硝酸還原酶、亞硝酸還原酶、脲酶、蛋白酶等。參與土壤碳循環的酶包括木質酶、纖維素酶、淀粉酶等。這些酶在將土壤養分轉化為植物可吸收利用的有機物的過程中起著不同的催化作用。盡管已有針對土壤碳氮循環對酶活性影響的研究，但對氮循環中土壤酶活性與苜蓿根瘤菌的作用關系，以及如何通過調控土壤酶功能特性來促進根瘤菌的固氮效率，進而提高牧草產量，仍需要進一步的探索。

微生物群落對土壤有機質分解與碳、氮周轉過程的調控作用存在兩種不同觀點。一種認為微生物群落多樣性的改變對碳氮循環速率影響不大，在微生物群落中存在大量的功能冗余。另一種觀點則從生態位的角度強調不同微生物類群對基質的利用和吸收存在差異，那么微生物群落組成的改變將會極大地影響碳氮循環速率。

筆者在以往研究植物—微生物相互關系時，也發現了與上述兩種觀點類似的規律，在不同的植物群落類型中，植物對微生物群落的影響也存在著“功能冗余”和“功能相異”的情況。這說明無論是在植物群落還是微生物群落中，不同的生態位導致的功能冗余或相異將會極大地影響植物—微生物之間的相互作用關系。而目前關于參加土壤碳、氮循環的土壤微生物功能群之間的相對貢獻以及相互之間存在怎樣的網絡結構和功能關系，包括植物—微生物共生體（如苜蓿—根瘤菌）與土壤微生物功能群在碳氮循環過程中的相互作用機制依然不甚明了。因此，筆者擬將苜蓿—根瘤菌與參與碳、氮循環的土壤微生物功能群聯系起來，彌補以往僅單方面研究苜蓿根瘤菌或土壤微生物的不足，完善地下生物網絡調控物質循環的研究工作。

三、土壤微生物功能群對苜蓿根瘤菌的影響

苜蓿產生的根系分泌物及其脫落的有機殘體，是土壤微生物重要而豐富的營養來源，因此復雜的苜蓿根系分泌物與根際環境條件，將對土壤微生物的群落組成和多樣性形成一種選擇性調控方式。由于土壤微生物群落往往有較高的冗余度，那么微生物功能群組成上的變化，是否會引起苜蓿根瘤菌固氮效率發生改變？

有研究表明，包括施肥、接種在內的不同管理措施，會改變土壤氮循環的生物或非生物過程，導致相關微生物功能群的組成上發生變化。土壤微生物群落的變化會改變土壤中營養物質的分布格局，導致苜蓿根瘤菌的結瘤和固氮效率存在差異，這說明苜蓿根瘤菌的確會受到土壤微生物群落的間接影響。有研究發現施氮增加了紫花苜蓿根區土壤養分的溶解，并增加了土壤微生物量，這有利于紫花苜蓿根區土壤氮素的積累，提高的土壤氮素含量使紫花苜蓿根部形成大量的根瘤菌，因此固氮能力增強。

在土壤氮轉化的過程中，不同微生物類群的組成比例（如氨氧化細菌和氨氧化古菌比例、硝化微生物和反硝化微生物比例等）發揮著不同的作用。例如，在土壤漬水條件下，由于土壤中缺乏氧氣，土壤中的好氣性細菌，如氨化細菌、硝化細菌等的正常生長活動受到阻礙，將影響營養物質的供應。同時，如丁酸細菌類的兼氣性細菌開始活躍，除增加土壤酸度外，還將產生有毒的還原性產物直接毒害根部。施氮后，植物根際土壤微生物群落結構將發生變化，其中氨化細菌、硝化細菌、固氮細菌等的群落組成和數量會存在差異，根瘤菌的活性將對土壤中參與氮循環的細菌種群數量產生正效應。

從現有研究可以看出，關于土壤微生物功能群對苜蓿根瘤菌影響的研究僅局限于不同微生物群落數量差異上的比較。而對土壤微生物功能群如何調控苜蓿根瘤菌對氮素的轉化效率，以及向土壤中引入根瘤菌后，微生物功能群對苜蓿根瘤菌的調節有何差異的研究還存在很大的不足。

因此，加強對苜蓿根瘤菌與土壤氮循環中微生物群落相互作用機制的研究，尤其是研究參與土壤氮循環的微生物功能群及土壤酶活性對苜蓿根瘤菌固氮效率的影響，對增強生物固氮、提高牧草產量具有重要的意義。

四、存在問題及展望

綜合上述分析可以發現，盡管人們對苜蓿進行了多年的研究，并對苜蓿根瘤菌的結瘤、固氮機制進行了探討，但仍在一些方面存在不足：一是多數研究僅針對苜蓿生理特征與根瘤菌生理特征來探討苜蓿—根瘤菌的共生固氮機制，沒有聯系土壤中微生物功能群在養分循環過程中對苜蓿根瘤菌的作用。二是缺乏關于苜蓿根瘤菌以及微生物功能群在土壤氮循環過程中的相對貢獻研究。有幾個問題在今后的研究中將會重點考慮：碳氮轉化關鍵微生物過程對苜蓿—根瘤菌固氮效率的影響？土壤微生物功能群是否能夠調節根瘤菌的固氮效率？哪些微生物功能群在這個調控中起主導作用？土壤微生物以及土壤酶如何影響根瘤菌固氮效率？

鑒于上述情況，筆者將以苜蓿根瘤菌為研究對象，通過添加不同形態氮素，以及接種或不接種根瘤菌，來研究土壤碳氮循環過程中微生物功能群對苜蓿根瘤菌的影響。利用分子生物學手段分析苜蓿根瘤菌對土壤關鍵微生物功能群遺傳多樣性、功能基因豐度變化的響應，揭示苜蓿根瘤菌和微生物功能群在土壤氮循環過程中的相對貢獻，闡述苜蓿根瘤菌與土壤氮循環中微生物功能群的相互作用機制。強調苜蓿根瘤菌與土壤微生物功能群的相互作用關系，將彌補以往僅單方面研究苜蓿根瘤菌或土壤微生物的不足，也為探索土壤氮循環中植物—土壤—微生物的相對貢獻提供科學依據。