石漠化地区丛枝菌根真菌促进桑树根系水分吸收的机理研究

发布时间：2020-11-01 16:38

　　 土壤水分亏缺是阻碍石漠化地区植被恢复重建的一个主要生态因子。然而,桑树用于石漠化治理已取得良好效果,这可能因根系与丛枝菌根(Arbuscular mycorrhiza,AM)真菌共生,从而对桑树水分吸收利用有一定影响。因此,本研究将主要解决两个关键科学问题:一是阐明石漠化地区菌根桑对土壤水分吸收能力的季节变化,揭示对水分的利用策略。二是认识石漠化地区桑树根系内外AM真菌群落组成与多样性,论证优势菌种对桑树根系吸水具有促进作用,并揭示AM真菌促进桑树水分吸收利用的机制。对此,以石漠化地区种植的桑树(Morus alba L.)为研究对象,基于氢、氧稳定同位素分析桑树水分吸收利用策略,并借助454焦磷酸测序技术研究桑树根内外AM真菌群落组成与多样性,初步筛选出促进桑树吸水的AM真菌优势菌种,随后通过盆栽实验将AM真菌优势菌种接种于桑树根系,揭示AM真菌对桑树水分吸收利用的促进作用,并从土壤团聚体改善、养分调节、水通道蛋白调控角度解释AM真菌对桑树根系吸水的促进机理。取得如下主要结果和结论:1.石漠化地区桑树水分利用策略桑树生长前期(春季,4-6月)降水中δD、δ~(18)O较为偏正,比生长后期(秋季,9-11月)降水富集D、~(18)O。土壤水δD、δ~(18)O随降雨的季节变化呈现下降趋势,并且受降雨、蒸发等影响,表现出不同的剖面垂直变化。桑树茎水δD、δ~(18)O组成位于大气降水线下方,与土壤水δD、δ~(18)O组成变化相似,说明桑树生长所需的水分主要靠土壤水分提供。通过直观相关法和多元线性混合模型法判断出桑树在不同季节对土壤水分的吸收利用策略不同,其中春季先主要吸收10-30cm土层水,随着降雨增多开始主要吸收利用50-60cm深层水;进入秋季降雨量较大时亦是主要吸收利用50-60cm的深层水,而降雨减少时转变为主要吸收利用0-10cm的土壤水。2.桑树根系和土壤中AM真菌群落特征通过454焦磷酸测序技术分析共获得桑树根内外AM真菌有7科8属83个VT种。退耕植桑10年的桑树根系中AM真菌多样性高于植桑1年,Shannon-Wiener指数随土壤深度降低。土壤性质与AM真菌多样性之间存在一定的相关性,并且与恢复时间、气候等存在交互影响,从而使AM真菌多样性发生变化。桑树根系与土壤AM真菌群落均以Glomus为优势属,并且样品中均出现了VTX00067和VTX00105两个分子种(初步判断分别为F.mossease和R.intraradices),为后续研究奠定了基础。3.AM真菌促进桑树水分吸收利用效应土壤水分不足对桑树生长产生一定的限制作用,但AM真菌成功侵染桑树根系后,显著促进桑树生长,并且显著增加桑树根系、茎秆和叶片水分含量。通过分析叶片有机物δ~(18)O变化发现,在正常供水和水分胁迫条件下,接种AM真菌显著降低δ~(18)O含量。通过相关分析,与土壤水分、桑树根系和茎秆水分含量显著相关,因此可以利用叶片有机物δ~(18)O变化表征一段时间内AM真菌对根系吸水效应。同时,AM真菌显著提升叶片水分利用效率。综合而言,本研究证实了AM真菌促进桑树水分吸收利用,并且接种F.mosseae的促进作用优于R.intraradices。4.AM真菌促进桑树水分吸收利用的机制⑴改善土壤团聚体。通过对比分析,接种AM真菌显著提高桑树根围土壤大团聚体百分含量、平均重量直径(MWD)和几何平均直径(GMD),表明AM真菌改善土壤结构,并提高团聚体稳定性。进一步通过相关分析和结构方程模型分析,团聚体的改善对植物根系水分含量提升有促进作用。这些结果表明,桑树在AM真菌作用下,根围土壤孔隙度与水分入渗能力提高,并且土壤释放较多的水分供根系吸收。⑵调节桑树养分状况。石漠化地区土壤养分贫瘠,桑树生长受N、P营养元素限制,但接种AM真菌提高土壤养分有效性,促进N、P养分吸收,缓解桑树营养受限问题,并调控土壤-桑树系统中C、N、P等元素的分配。同时,AM真菌与桑树共生,在自然干旱情况下,通过改变叶片养分及其计量比提升水分利用效率(WUE)。⑶调控桑树水通道蛋白表达。通过对桑树生长过程中不同水分条件下主根、侧根、须根和叶片中3个PIPs和4个TIPs类水孔蛋白进行测定分析,结果发现接种AM真菌的桑树各组织中水孔蛋白家族成员的表达量在不同水分条件下具有个体差异性。初步探索AM真菌可能通过调节桑树根系和叶片中PIPs和TIPs家族基因的表达,促进桑树水分吸收利用。综合来说,桑树不同生长季节对土壤水分的吸收利用策略不同,该结果对石漠化桑园可持续管理提供了重要的理论依据。桑树根系内外AM真菌群落组成与多样性的变化差异,对于理解AM真菌促进桑树生长、改善土壤环境以及提高桑树在荒漠化地区的修复效率具有重要意义。对桑树接种初步筛选获得的AM真菌优势菌种,论证表明AM真菌通过改善土壤团聚体、调节养分及调控桑树水通道蛋白表达而促进桑树水分吸收利用,该研究结果对石漠化地区土壤水分缺乏的生态系统植被恢复提供了重要的理论支撑与新途径。
【学位单位】：贵州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S888.2
【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 国内外研究进展
        1.2.1 岩溶区植物水分吸收利用策略研究概况
        1.2.2 岩溶区植物水分吸收利用的菌根效应
        1.2.3 岩溶区植物水分吸收利用的AM真菌作用机制
        1.2.4 菌根桑在喀斯特石漠化生态恢复中可利用性分析
    1.3 本领域主要存在的问题
        1.3.1 石漠化区菌根桑根围AM真菌多样性
        1.3.2 关键限制性生态因子对菌根桑根围AM真菌影响
        1.3.3 AM真菌优势菌株筛选
        1.3.4 AM真菌对桑树等植物水分吸收利用的调控机理
    1.4 本研究要解决的科学问题和研究内容
        1.4.1 关键科学问题
        1.4.2 主要研究内容
        1.4.3 技术路线
2 石漠化地区桑树水分利用策略研究
    2.1 前言
    2.2 材料与方法
        2.2.1 研究区概况
        2.2.2 样品采集
        2.2.3 样品测定
        2.2.4 植物水源判断方法
        2.2.5 数据统计与分析
    2.3 结果与分析
18O的变化特征'>        2.3.1 大气降水、土壤水及桑树水δd、δ¹⁸O的变化特征
18O的关系变化'>        2.3.2 大气降水、土壤水及桑树水δd、δ¹⁸O的关系变化
18O垂直分布特征'>        2.3.3 不同季节土壤水δd、δ¹⁸O垂直分布特征
        2.3.4 桑树的水分吸收来源及其贡献率
    2.4 讨论
    2.5 小结
3 石漠化地区桑树根系和土壤中AM真菌群落特征
    3.1 前言
    3.2 材料与方法
    3.3 结果与分析
        3.3.1 石漠化桑园土壤及根系AM真菌群落组成
        3.3.2 石漠化桑园土壤及根系AM真菌多样性变化
        3.3.3 石漠化桑园土壤性质变化特征
        3.3.4 AM真菌多样性与土壤性质相关性
    3.4 讨论
        3.4.1 恢复时间与季节对AM真菌群落组成与多样性的影响
        3.4.2 土壤性质对AM真菌多样性的影响
        3.4.3 石漠化地区AM真菌对植被恢复的影响
    3.5 小结
4 AM真菌对桑树水分吸收利用效应
    4.1 前言
    4.2 材料与方法
    4.3 结果与分析
        4.3.1 不同处理下桑树根系侵染率及生长变化
        4.3.2 AM真菌对桑树吸水效应
        4.3.3 AM真菌对桑树水分利用效应
    4.4 讨论
        4.4.1 AM真菌对桑树生长的影响
        4.4.2 AM真菌对桑树根系吸水的影响
        4.4.3 AM真菌对桑树水分利用效率的影响
    4.5 小结
5 AM真菌改善土壤团聚体促进桑树吸水机理
    5.1 前言
    5.2 材料与方法
    5.3 结果与分析
        5.3.1 不同处理下桑树根围土壤团聚体组成与稳定性变化
        5.3.2 团聚体组成、稳定性与桑树根系水分相关关系
        5.3.3 土壤团聚体改善对根系水分含量的调控作用
    5.4 讨论
        5.4.1 AM真菌对土壤团聚体形成及其稳定性影响
        5.4.2 AM真菌作用下土壤团聚体改善对根系水分含量的调控
    5.5 小结
6 AM真菌调节桑树养分吸收与水分利用效率
    6.1 前言
    6.2 材料与方法
    6.3 结果与分析
        6.3.1 桑树根围土壤养分及其化学计量比变化
        6.3.2 桑树不同组织养分及其化学计量比变化
        6.3.3 叶片养分与计量比对WUE的调节作用
    6.4 讨论
        6.4.1 AM真菌对土壤养分及其化学计量比的影响
        6.4.2 AM真菌对桑树各组织养分及其计量比的影响
        6.4.3 AM真菌作用下桑树叶片养分及其化学计量比对WUE的调节作用
    6.5 小结
7 AM真菌调控桑树水通道蛋白表达
    7.1 前言
    7.2 材料与方法
    7.3 结果与分析
        7.3.1 AM真菌处理下桑树根系AQPs表达分析
        7.3.2 AM真菌处理下桑树叶片中AQPs表达变化
    7.4 讨论
    7.5 小结
8 主要研究结论与展望
    8.1 主要研究结论
    8.2 研究特色与创新处
    8.3 研究展望
致谢
主要参考文献
攻读学位期间主要参加的科研任务与主要成果

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本文编号：2865805