5种园林植物根际土壤微生物碳源利用和转化能力的研究

万平平，高远菲，张文婕，王金花，王军，朱鲁生

(1.济南市城乡建设发展服务中心，山东 济南 250014；2.山东农业大学资源与环境学院/山东省高校农业环境重点实验室，山东 泰安 271018)

自工业革命以来，全球碳排放总量不断升高，对生态环境造成了严重威胁[1]。土壤中的含碳量在地球陆地生态系统中居首位，更是世界碳循环过程中不可或缺的重要部分。影响土壤碳固定的因素有许多，其中植被类型通过控制进入土壤中的植物残体量和植被根系生物量来影响土壤有机碳的分布[2-5]，植被不仅能够通过光合作用固定空气中的CO2，其根系土壤中具有固碳作用的微生物同样促进土壤中的碳固定[6，7]。微生物在土壤碳元素的循环作用中发挥着重要作用，它们凭借高丰度、代谢多样性，参入碳循环的多个环节。碳源利用相关的微生物群落结构、碳源转化相关酶活性及关键基因的丰度都能够影响土壤微生物的固碳能力。

作为天然碳汇体的园林植物，在调节碳循环方面起着至关重要的作用。目前我国对园林植物固碳能力的研究多集中于整体碳汇的计算和对单株固碳能力的测定上，而对于和植物密切相关的土壤以及根际微生物发挥固碳作用的研究较少。因此，本试验选取5种典型的北方园林绿化林木:山桃(Amygdalus davidiana)、玉兰(Yulania denudata)、侧柏(Platycladus orientalis)、白蜡(Fraxinus chinensis)、大叶女贞(Ligustrum compactum)为对象，通过碳源利用能力、土壤蔗糖酶和淀粉酶活性的测定以及3种碳循环基因的定量分析，研究不同植物类型根际微生物的土壤碳源利用和转化能力及其关键驱动因子，为选择具有高碳源利用和转化能力的园林植物提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验用土样于2021年12月份采自济南市植物园，一部分进行Biolog-ECO微平板的测定和碳循环基因的定量检测(可放-20℃冰箱保存)，一部分阴凉处风干后过1 mm筛，用于土壤酶活性测定。

1.2 试验方法

1.2.1 Biolog-ECO微平板试验 将5种不同土样制成土壤悬浊液，然后稀释至浓度为10-3g/mL，无菌条件下接种到Biolog-ECO微平板中进行连续培养，期间测定4、24、48、72、96、120、144 h和168 h各微孔的吸光度值。计算平均颜色变化率AWCD值:

式中:Ci表示第i孔的OD值；R表示对照孔的OD值；n为供试碳源的种类数，其值为31。

1.2.2 土壤酶活性测定 土壤酶活性采用3，5-二硝基水杨酸法比色法测定[8]，用5 g风干土在37℃培养箱中培养6 h生成的葡萄糖量表征土壤淀粉酶和蔗糖酶活性。

1.2.3 碳循环基因的定量检测 采用实时荧光定量PCR(qPCR)检测方法。称取1.00 g土样用试剂盒提取总DNA，选择3种碳循环标记基因cbbM、cbbLR、cbbLG进行PCR检测，确定反应体系与程序。用试剂盒纯化扩增后的目的基因片段，将片段连接在pMDTM19-T Vector，后导入DH5α感受态细胞，将处理得到的菌株培养后，提取质粒，建立标准曲线。本试验测定各基因的相对定量值，因此每个样品同时进行16s rRNA的qPCR试验。

1.3 数据处理

使用Microsoft Excel处理数据及作图，用Origin 2022软件绘图。

2 结果与分析

2.1 不同植物根际土壤微生物碳源利用的动力学特征

5种园林植物根际土壤微生物对碳源的利用程度随着培养时间的延长均呈现先增加后逐渐变缓的趋势(图1A)。培养4～24 h期间AWCD值增加比较缓慢，24～96 h迅速增大，土壤微生物逐渐进入指数生长期，底物碳源被大量利用，土壤生物对碳源的利用能力也随其活性的增大而增强，120 h之后进入稳定期。

对比不同植物的根际土壤微生物96 h的AWCD值可以发现，山桃和玉兰的数值明显高于其他3种植物，其中山桃约是大叶女贞的2倍，表明山桃和玉兰根际土壤微生物群落对碳源总的利用能力更强(图1B)。

图1 不同植物根际土壤微生物AWCD值随培养时间的变化(A)及96 h AWCD值(B)

2.2 不同植物根际土壤微生物的碳源利用分析

由图2看出，不同植物根际土壤微生物对六类碳源的相对利用程度有明显差异，其中山桃和侧柏根际土壤微生物对六类碳源的利用均呈现:糖类＞羧酸类＞氨基酸类＞多聚类＞酚类＞胺类。从总体上看，5种植物根际土壤微生物对糖类、羧酸类和多聚类这三类碳源总的利用程度都在65%以上，而对多聚类、酚类和胺类的利用程度较低。总体碳源利用能力最低的大叶女贞对于糖类的利用程度仅为24%，相比其他4种植物最低，但对胺类的利用程度最高，约占4%。

图2 不同植物根际土壤微生物对六类碳源的相对利用程度

2.3 不同植物根际土壤蔗糖酶及淀粉酶活性分析

通过土壤中碳转化相关的蔗糖酶和淀粉酶活性测定来判断不同植物根际微生物碳源利用的差别，结果见图3。由图3A可见，5种植物根际土壤蔗糖酶活性存在显著差异，其中山桃土壤蔗糖酶活性远远高于其他4种植物，差异达显著水平，玉兰及侧柏显著高于大叶女贞，山桃土壤蔗糖酶活性较大叶女贞高出5倍。

从图3B看出，5种植物土壤淀粉酶活性亦有显著差异，其中山桃最高，显著高于玉兰、白蜡及大叶女贞，侧柏与玉兰差异不显著但显著高于其他两种植物。

图3 不同植物极际土壤蔗糖酶及淀粉酶活性

2.4 不同植物根际微生物的土壤碳循环基因相对丰度分析

5种不同植物根际土壤中3种碳循环基因的相对丰度如图4所示。其中cbbLR基因在5种植物根际土壤中的相对含量显著高于其他两种基因，玉兰和山桃的cbbLR基因相对含量较高，白蜡和侧柏中cbbLG基因和cbbM基因的相对含量均略高于其他3种植物。

图4 不同植物类型对土壤碳循环基因的影响

2.5 碳源利用和转化指标间的相关性

对AWCD、六类碳源、两种土壤酶活性和3种碳循环基因进行相关性分析，结果见图5。可以看出，AWCD值与cbbLR基因存在显著正相关关系(P＜0.05)，与土壤淀粉酶和蔗糖酶活性也有一定的相关性；土壤淀粉酶活性与cbbLR基因和土壤蔗糖酶活性存在正相关关系；cbbLG基因和cbbM基因的显著性检验结果为P＜0.05。

图5 碳循环指标间的相关性

3 讨论

AWCD值反映了微生物对碳源的利用能力[9，10]。通过对比5种植物96 h的AWCD值得出，其根际土壤微生物对碳源的利用能力依次为:山桃＞玉兰＞白蜡＞侧柏＞大叶女贞。研究表明，根系分泌物对根际微生物群落具有重要的调控作用，它能够有选择性地对根际微生物群落产生影响[11，12]。涂书新等[13]发现，当生存环境变差，一些植物的根系会产生适应环境变化的分泌物进行自我保护，这些植物一般具有较强的抗逆性。山桃为5种植物中抗旱耐寒性能最好的，当生长环境偶遇胁迫，其根系分泌物自然应环境变化而改善[14]，从而能够大大提高土壤微生物活性，提高土壤微生物对碳源的利用能力，由此我们推测山桃具有良好的固碳功能，是园林绿化较佳的选择。

六类碳源利用的测定结果表明，5种植物土壤微生物群落具有特定的代谢特征，均对糖类、羧酸类和氨基酸类有很高的代谢活性，有可能是这5种植物的根系分泌了大量糖类、羧酸类和氨基酸等碳源物质[15，16]，从而给相关类型微生物的繁殖与生长提供了良好条件。但5种植物对六类碳源的代谢没有显著差异，与糖类、羧酸类和氨基酸类碳源物质相关的微生物可能不是土壤固碳的重要组分。

土壤酶是土壤组分中活跃的有机成分，也是生态系统中参与物质循环和能量流动的重要组成部分[17]，其活性不仅与土壤肥力状况有着显著的相关性，而且还与土壤微生物活性密切相关，它与土壤微生物一起推动着物质的转化。土壤酶活性的大小能够影响生物化学过程的强度和方向[18]，在一定程度上能够反映土壤养分转化动态，在土壤养分循环、能量转化、协调生态系统的碳氮平衡等过程中起到重要作用。其中蔗糖酶常用来表征土壤中的微生物学活性，并且蔗糖酶还能够增加土壤中碳的周转[19-22]。本研究中山桃的土壤蔗糖酶活性显著高于其他4种植物，表明其根际土壤微生物的活性最强。由此可知山桃根际土壤微生物的土壤碳源利用和转化能力最强，同时印证了前面的推测。

有研究表明cbbL基因是卡尔文循环中参与编码的关键因子[23]。为探究土壤中固碳微生物对碳源的利用和转化，许多研究者将cbbL基因作为碳循环的标记基因。对5种植物根际土壤中微生物碳循环基因的定量检测可以发现，3种碳循环基因中，cbbLR基因在土壤中的相对含量最高，因此可以推测，cbbLR基因在土壤微生物的碳源利用中起重要作用。其中，山桃和玉兰根际土壤中的cbbLR基因相对含量比其他3种植物高。由图1已知，山桃和玉兰的AWCD值较高，即对碳源的利用能力较强。相关性分析表明，AWCD值和cbbLR基因也呈高度相关性，更加印证了cbbLR基因是影响土壤微生物对碳源利用能力的一个关键因子。

4 结论

对5种不同植物根际土壤微生物碳源利用能力的测定结果显示，山桃和玉兰的AWCD值相对较高，表明这两种植物根际土壤微生物对碳源的利用能力强。土壤蔗糖酶和淀粉酶活性的测定结果表明，山桃的土壤蔗糖酶活性显著高于其他4种植物，从而增强其根际微生物活性，大大提高对碳源的利用和转化能力。3种碳循环基因的定量检测结果显示，cbbLR基因在山桃和玉兰根际土壤中的相对含量较高，表明cbbLR基因是影响土壤微生物对碳源利用与转化的一个关键因子。