黄花蒿对土壤微生物的化感效应

发布时间：2020-08-15 22:13

【摘要】：全世界有40%左右的人口受到疟疾的威胁,目前治疗疟疾的一线药物首选青蒿素(WHO推荐)。黄花蒿(Artemisia annua L.)属菊科草本植物,俗名青蒿,在我国已有二千多年的药用历史,是提取青蒿素的唯一原料药材。我国黄花蒿种植面积和青蒿素产量占全世界的90%以上。其中,重庆市三峡库区是全国黄花蒿的优质产区,种植面积和青蒿素产量分别占全国的70%和80%,是当地的主要经济作物。黄花蒿在生长过程中,主要通过残体腐解、雨水淋溶和根系分泌等途径向土壤生态系统释放青蒿素类化感物质,降低土地生产力,造成周围和后茬作物减产。微生物是土壤的重要成分,驱动土壤生物化学反应,如有机质矿化,毒素降解和养分转化与供应等。因此,探讨黄花蒿种植对土壤微生物的影响,对于科学评估黄花蒿种植造成的生态风险,减轻其对后茬作物的危害,保持土地生产力有重要意义。论文作者首先采用野外调查和田间试验方法,利用常规分析、Illumina MiSeq高通量测序和GC-MS手段,分析了野生和栽培黄花蒿土壤的理化性质和微生物特性,以及青蒿素类物质的含量分布；接着采用培养试验,将磷脂脂肪酸(PLFAs)图谱法和454高通量测序技术相结合,探究了黄花蒿凋落物或青蒿素对土壤微生物群落组成及多样性的影响,并获得了对青蒿素敏感的功能菌,如根瘤菌、自生固氮菌和外生菌根真菌等；然后研究青蒿素对这些菌株的化感效应。主要研究结果如下：1野生黄花蒿根区土壤中的青蒿素、黄酮含量及微生物数量野生黄花蒿现蕾期,植株叶片青蒿素含量最高,且现蕾期叶片生物量开始显著下降,盛花期降幅达到55.13%。各生育期叶片和根区土壤青蒿素含量的变化趋势为：现蕾期始花期盛花期营养生长期；根区土壤中的去氧青蒿素含量最高,青蒿酸次之,青蒿素最低,三者合计516.93μg·kg-1干土,且根表和根际含量显著高于非根际。野生黄花蒿植株黄酮含量呈现出茎叶根系花,根区土壤黄酮含量表现为根表根际非根际,且盛花期土壤黄酮含量最高,达到434.77 μg·kg-1干土。根区土壤青蒿素含量与细菌和放线菌数量呈显著负相关(r=-0.508*和r=-0.478*,n=24),去氧青蒿素含量与放线菌数量呈极显著负相关(r=-0.528**,n=24),但黄酮和青蒿酸含量与细菌、真菌和放线菌数量均未达到显著相关。表明土壤中的青蒿素类物质是抑制微生物生长繁殖的主要化感物质。2栽培黄花蒿对土壤酶活性和微生物群落的影响随黄花蒿栽培年限增加,土壤微生物生物量碳氮、pH值、脱氢酶和脲酶活性、细菌16S rRNA序列数(Reads)均显著降低。新地栽培黄花蒿,土壤中子囊菌门相对丰度增至95.28%,真菌ITS序列数(Reads)和优势度指数明显增加,但细菌和真菌种类(OTUs)、丰富度指数(Ace和Chao)和多样性指数均显著下降；持续栽培黄花蒿(3-5年),土壤真菌ITS序列数下降,并检测到蒿属的常见病菌—蒿白粉菌和艾菊柄锈菌。主成分分析(PCA)和微生物属水平上的聚类分析表明,栽培年限不同,黄花蒿土壤微生物群落组成差异显著(P0.05)；在栽培黄花蒿的土壤中,前20种优势真菌有14种与非种植黄花蒿的土壤相同,细菌仅有5种一致。说明黄花蒿栽培恶化土壤环境,降低土壤微生物和种群数,改变群落结构,导致土壤真菌化和微生物结构简单化,增加植物性病害发生几率。3黄花蒿凋落物／青蒿素对土壤微生物群落组成及多样性的影响在土壤中分别添加黄花蒿凋落物和青蒿素后,真菌数量增加,但放线菌、自生固氮菌、硝化细菌和亚硝化细菌的数量显著减少,土壤呼吸强度和微生物熵降低,代谢熵增大,说明土壤微生物代谢受到干扰,活性降低。此外,黄花蒿凋落物和青蒿素显著降低土壤微生物标记性磷脂脂肪酸(PLFAs)总量和种类、以及细菌、放线菌和原生动物的PFLAs,由PFLAs计算获得的微生物多样性和均匀度指数也显著降低。454高通量测序获得的16S rRNA序列数表现为对照(不加凋落物和青蒿素的土壤)(9135)黄花蒿凋落物处理(7343)≈青蒿素处理(7512),表明黄花蒿凋落物和青蒿素抑制土壤细菌的生长繁殖。三种处理中细菌种群结构差异显著,青蒿素显著降低细菌种类(OTUs)、多样性和均匀度指数。在青蒿素处理中,蓝藻门(Cyanobacteria)的丰富度降低97.50%,前20种优势细菌仅有13种与对照相同,且浮霉菌、根瘤菌、放线菌和酸微菌等土壤有益微生物缺失。因此,黄花蒿释放的化感物质尤其是青蒿素干扰土壤微生物的生长、代谢及功能,改变它们的群落组成,减少种群数,降低密度。4青蒿素对根瘤菌的化感效应青蒿素极显著的抑制快、慢生根瘤菌的繁殖,在培养液中加入40 mg-L-1青蒿素培养8 h,根瘤菌的数目不到正常培养的一半。随着青蒿素浓度的增加,根瘤菌对蔗糖和葡萄糖的利用速率、胞外蛋白酶、酸性磷酸酶和固氮酶活性均显著降低,且固氮酶活性(y)与培养基中的青蒿素浓度(x)可用y= e-ax+b表示(x=48 mg·L-时,y≈0)。因此,青蒿素抑制根瘤菌的生长繁殖、根瘤形成和生物固氮,可能降低豆科作物氮素的供应,阻碍其生长发育,造成减产。5 青蒿素对自生固氮菌的化感效应青蒿素显著抑制自生固氮菌繁殖生长,减少柠檬酸分泌量,增加苹果酸的分泌量,加快H+的分泌速率,在80 mg·L-1青蒿素的培养基中,自生固氮菌的H+分泌速率分别比对照(不加青蒿素)增加了1.61倍(Ab 09)和1.03倍(Ab 10)。胞外蛋白酶和固氮酶活性随青蒿素浓度增加而降低,当青蒿素浓度达到48 mg·L-1时,未检测出自生固氮菌的固氮酶活性。因此,在种植黄花蒿的土壤中,青蒿素会干扰自生固氮菌的生长繁殖及固氮、溶磷、解钾等功能。6 青蒿素对外生菌根真菌的化感效应在液体培养基中加入青蒿素,外生菌根真菌菌丝的生长受到明显抑制。当培养液中青蒿素的浓度达到25 mg·L-1时,与对照(不加青蒿素)相比,菌丝的生物量分别下降了78.62%(S. luteus 1),96.75%(S. luteus 13),77.78%(S. luteus 11)和86.81% (S.subluteus 12)、且随青蒿素浓度的增加,外生菌根真菌菌丝H+和草酸的分泌量显著下降,不利于土壤磷、钾、钙、镁等矿质元素的活化；但草酸的分泌速率加快,表明青蒿素对外生菌根真菌的细胞膜有破坏作用,增加膜透性。此外,培养液中的青蒿素显著地抑制了外生菌根真菌对氮、磷、钾养分的吸收。当培养基中青蒿素的浓度达到25 mg·L-1时,S.luteus 13、S. luteus 11和S.subluteus12不再吸收氮、磷、钾。说明青蒿素能不同程度地抑制外生菌根真菌的生长和养分吸收。
【学位授予单位】：西南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S567.219;S154.3

【参考文献】