土壤微生物功能群对苜蓿根瘤菌的影响

文│孙盛楠（扬州大学动物科学与技术学院）

土壤微生物功能群对苜蓿根瘤菌的影响

文│孙盛楠（扬州大学动物科学与技术学院）

苜蓿以其发达的根系和较强的固氮能力，极大地影响着土壤碳氮循环过程，并以“苜蓿-根瘤菌共生体”的形式共同适应土壤中生物与非生物环境的变化。多年来，国内外在揭示苜蓿-根瘤菌共生固氮机制方面取得了很大进展，但关于苜蓿-根瘤菌共生体对土壤碳氮循环中关键微生物过程的响应机制还不明确。未来需要深入研究土壤碳氮循环过程中关键微生物功能群对苜蓿-根瘤菌共生体的影响。

一、前言

苜蓿是豆科植物中最为重要的栽培牧草，苜蓿—根瘤菌共生体是一种高效的生物固氮体系。苜蓿根瘤菌在土壤养分循环中的生态位是植物—土壤—微生物界面研究中的重要部分。目前对苜蓿根瘤菌固氮基因及其表达调控、根瘤菌基因与寄主基因之间的信号传递、识别与物质交换、苜蓿根瘤菌结瘤基因的遗传特征进行了大量的研究。关于生物共生机制，寄主制裁论（Punishment of cheaters）一直是被普遍接受的。该理论认为大部分的共生关系由大型物种所主导，例如细菌或昆虫寄生于植物中，依靠植物供给生活所需营养与能量。很多研究也表明宿主可以有选择地奖励合作者并惩罚作弊者，例如豆科植物只为有固氮细菌寄生的根瘤提供食物和氧气，并杀死其他无细菌寄生的根瘤。

而在2010年，以经济学家E. Glen Weyl带领的研究团队利用雇佣契约理论来解释了生物共生关系，他们发现共生体在进化过程中形成了一种互帮互助的机制，即一种平等的关系，而不是由宿主监督和管理他们的寄生者。那么，摆脱了宿主的主导作用，宿主与寄生者之间的共生关系除了互惠互助，还将受到外界生物与非生物因素的调控，例如土壤养分条件、土壤微生物群落结构等，都将对植物—微生物的共生关系产生一定的影响。

土壤微生物群落是土壤有机质或有机碳循环的重要驱动力，也是土壤碳氮循环的重要参与者。根瘤菌与苜蓿的结瘤和固氮不但与根瘤菌、植物自身的遗传背景有关，还涉及根瘤菌与环境因子之间的相互调节，这其中就包括根瘤菌与土壤微生物功能群的相互作用。在应对环境条件变化时，苜蓿与根瘤菌并不是独立存在的共生固氮系统，而是与土壤中的关键微生物功能群共同参与土壤碳氮循环过程。然而，目前在土壤养分的转化利用过程中，关于土壤微生物功能群对苜蓿根瘤菌影响的研究十分有限，苜蓿根瘤菌在土壤氮循环中与关键微生物过程和固氮微生物的相互作用机制还不明确。

因此，必须将苜蓿根瘤菌与土壤中的微生物功能群联系在一起，才能更加全面地反映植物—土壤—微生物三者在生态系统物质循环中的相互作用关系。苜蓿是“草—畜—肥—粮”物质循环系统中的重要组成成分，苜蓿根瘤菌对土壤氮的转化将有效增强土壤肥力。以下重点探讨土壤氮循环过程中微生物功能群对苜蓿根瘤菌的调控，明确苜蓿根瘤菌和微生物功能群在土壤氮循环过程中的相对贡献，这对增强土壤肥力、保护土壤生态环境有着重要的意义，也为建立“土地—粮食—牧草—家畜”的草地农业管理体系提供基础数据。

二、微生物功能群对土壤氮循环过程的影响

土壤微生物功能群分解和转换碳氮的生物化学过程是生态系统碳—氮耦合循环的关键过程之一。土壤微生物介导的碳—氮耦合循环过程是由一系列氧化还原反应过程构成的。参与碳循环过程的微生物功能群包括甲烷营养型细菌、甲基营养型细菌、甲烷氧化菌、木质素降解菌、纤维素降解菌、固碳微生物等。土壤新鲜有机质转化/矿化速率受微生物种群和活性的调控，微生物种群随着土壤中木质素含量和木质素降解酶活性的变化而变化。氮循环中主要包括固氮细菌、硝化细菌、反硝化细菌、脱氨细菌、氨化细菌等。土壤微生物在氮循环的几个主要转化过程包括固氮、硝化、反硝化和矿化过程中的作用正逐渐为人们所认识。

在土壤碳氮循环过程中，土壤酶已被公认为是影响该过程的重要因素，参与土壤中氮分解和循环的酶包括生物固氮酶、硝酸还原酶、亚硝酸还原酶、脲酶、蛋白酶等。参与土壤碳循环的酶包括木质酶、纤维素酶、淀粉酶等。这些酶在将土壤养分转化为植物可吸收利用的有机物的过程中起着不同的催化作用。尽管已有针对土壤碳氮循环对酶活性影响的研究，但对氮循环中土壤酶活性与苜蓿根瘤菌的作用关系，以及如何通过调控土壤酶功能特性来促进根瘤菌的固氮效率，进而提高牧草产量，仍需要进一步的探索。

微生物群落对土壤有机质分解与碳、氮周转过程的调控作用存在两种不同观点。一种认为微生物群落多样性的改变对碳氮循环速率影响不大，在微生物群落中存在大量的功能冗余。另一种观点则从生态位的角度强调不同微生物类群对基质的利用和吸收存在差异，那么微生物群落组成的改变将会极大地影响碳氮循环速率。

笔者在以往研究植物—微生物相互关系时，也发现了与上述两种观点类似的规律，在不同的植物群落类型中，植物对微生物群落的影响也存在着“功能冗余”和“功能相异”的情况。这说明无论是在植物群落还是微生物群落中，不同的生态位导致的功能冗余或相异将会极大地影响植物—微生物之间的相互作用关系。而目前关于参加土壤碳、氮循环的土壤微生物功能群之间的相对贡献以及相互之间存在怎样的网络结构和功能关系，包括植物—微生物共生体（如苜蓿—根瘤菌）与土壤微生物功能群在碳氮循环过程中的相互作用机制依然不甚明了。因此，笔者拟将苜蓿—根瘤菌与参与碳、氮循环的土壤微生物功能群联系起来，弥补以往仅单方面研究苜蓿根瘤菌或土壤微生物的不足，完善地下生物网络调控物质循环的研究工作。

三、土壤微生物功能群对苜蓿根瘤菌的影响

苜蓿产生的根系分泌物及其脱落的有机残体，是土壤微生物重要而丰富的营养来源，因此复杂的苜蓿根系分泌物与根际环境条件，将对土壤微生物的群落组成和多样性形成一种选择性调控方式。由于土壤微生物群落往往有较高的冗余度，那么微生物功能群组成上的变化，是否会引起苜蓿根瘤菌固氮效率发生改变？

有研究表明，包括施肥、接种在内的不同管理措施，会改变土壤氮循环的生物或非生物过程，导致相关微生物功能群的组成上发生变化。土壤微生物群落的变化会改变土壤中营养物质的分布格局，导致苜蓿根瘤菌的结瘤和固氮效率存在差异，这说明苜蓿根瘤菌的确会受到土壤微生物群落的间接影响。有研究发现施氮增加了紫花苜蓿根区土壤养分的溶解，并增加了土壤微生物量，这有利于紫花苜蓿根区土壤氮素的积累，提高的土壤氮素含量使紫花苜蓿根部形成大量的根瘤菌，因此固氮能力增强。

在土壤氮转化的过程中，不同微生物类群的组成比例（如氨氧化细菌和氨氧化古菌比例、硝化微生物和反硝化微生物比例等）发挥着不同的作用。例如，在土壤渍水条件下，由于土壤中缺乏氧气，土壤中的好气性细菌，如氨化细菌、硝化细菌等的正常生长活动受到阻碍，将影响营养物质的供应。同时，如丁酸细菌类的兼气性细菌开始活跃，除增加土壤酸度外，还将产生有毒的还原性产物直接毒害根部。施氮后，植物根际土壤微生物群落结构将发生变化，其中氨化细菌、硝化细菌、固氮细菌等的群落组成和数量会存在差异，根瘤菌的活性将对土壤中参与氮循环的细菌种群数量产生正效应。

从现有研究可以看出，关于土壤微生物功能群对苜蓿根瘤菌影响的研究仅局限于不同微生物群落数量差异上的比较。而对土壤微生物功能群如何调控苜蓿根瘤菌对氮素的转化效率，以及向土壤中引入根瘤菌后，微生物功能群对苜蓿根瘤菌的调节有何差异的研究还存在很大的不足。

因此，加强对苜蓿根瘤菌与土壤氮循环中微生物群落相互作用机制的研究，尤其是研究参与土壤氮循环的微生物功能群及土壤酶活性对苜蓿根瘤菌固氮效率的影响，对增强生物固氮、提高牧草产量具有重要的意义。

四、存在问题及展望

综合上述分析可以发现，尽管人们对苜蓿进行了多年的研究，并对苜蓿根瘤菌的结瘤、固氮机制进行了探讨，但仍在一些方面存在不足：一是多数研究仅针对苜蓿生理特征与根瘤菌生理特征来探讨苜蓿—根瘤菌的共生固氮机制，没有联系土壤中微生物功能群在养分循环过程中对苜蓿根瘤菌的作用。二是缺乏关于苜蓿根瘤菌以及微生物功能群在土壤氮循环过程中的相对贡献研究。有几个问题在今后的研究中将会重点考虑：碳氮转化关键微生物过程对苜蓿—根瘤菌固氮效率的影响？土壤微生物功能群是否能够调节根瘤菌的固氮效率？哪些微生物功能群在这个调控中起主导作用？土壤微生物以及土壤酶如何影响根瘤菌固氮效率？

鉴于上述情况，笔者将以苜蓿根瘤菌为研究对象，通过添加不同形态氮素，以及接种或不接种根瘤菌，来研究土壤碳氮循环过程中微生物功能群对苜蓿根瘤菌的影响。利用分子生物学手段分析苜蓿根瘤菌对土壤关键微生物功能群遗传多样性、功能基因丰度变化的响应，揭示苜蓿根瘤菌和微生物功能群在土壤氮循环过程中的相对贡献，阐述苜蓿根瘤菌与土壤氮循环中微生物功能群的相互作用机制。强调苜蓿根瘤菌与土壤微生物功能群的相互作用关系，将弥补以往仅单方面研究苜蓿根瘤菌或土壤微生物的不足，也为探索土壤氮循环中植物—土壤—微生物的相对贡献提供科学依据。