根瘤菌拌種對兩種苜蓿生長及根際微生物多樣性的影響

趙陽安， 蘆光新*， 鄧 曄， 王英成， 馬 坤， 顏琿璘， 張海娟， 周學(xué)麗， 竇聲云

(1. 青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院， 青海 西寧 810016；2. 中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心, 北京 100080；3. 青海省草原改良試驗(yàn)站， 青海 共和 813000)

紫花苜蓿(Medicagosativa)作為“牧草之王”，具有適應(yīng)性廣、營養(yǎng)價(jià)值高、適口性好等優(yōu)良特點(diǎn)[1],在我國種植面積逾400萬hm2[2]，是我國畜牧業(yè)發(fā)展不可缺少的飼料作物之一。在高寒地區(qū)栽培過程中，由于地區(qū)環(huán)境及春化作用，導(dǎo)致紫花苜蓿種植地大寒大旱，苜蓿越冬率低，品質(zhì)與適應(yīng)性表現(xiàn)良莠不齊[3]，嚴(yán)重影響著高寒地區(qū)苜蓿種植的品質(zhì)與產(chǎn)量。

針對高寒地區(qū)種植苜蓿不抗寒、越冬率低的狀況，開展苜蓿在高寒地區(qū)的適應(yīng)性研究，成為了高寒地區(qū)的研究熱點(diǎn)。近年來，相關(guān)學(xué)者從植株各個(gè)角度對苜蓿在高寒地區(qū)的適應(yīng)性進(jìn)行研究，其中固氮根瘤共生體研究最多，而對于生物肥料的研究相對較少，生物肥料作為一類含有大量微生物的特殊肥料，在施入土壤中時(shí)，大量微生物在適宜條件下能夠積極活動(dòng)，有的可在作物根的周圍大量繁殖，發(fā)揮自生固氮或聯(lián)合固氮作用[4]，有的還可分解磷、鉀礦質(zhì)元素供給作物吸收或分泌生長激素刺激作物生長[5]。根瘤菌肥料作為生物肥料中豆科植物專用肥，施入土壤可以誘導(dǎo)豆科植物形成根瘤，不僅能大量形成共生固氮類菌體，還能分泌植物生長激素，促進(jìn)植物生長[6-7]。大量研究證實(shí)，施用根瘤菌菌劑可增加紫花苜蓿的結(jié)瘤數(shù)，固定游離氮，提高紫花苜蓿的結(jié)瘤固氮效率，培肥地力、改善土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)以及牧草品質(zhì)[8-9]。相關(guān)研究[10-11]發(fā)現(xiàn)，紫花苜蓿接種根瘤菌可有效促進(jìn)結(jié)瘤，提高紫花苜蓿的產(chǎn)量和品質(zhì)。Agnello等[12]的研究發(fā)現(xiàn)種植苜蓿能夠有效提高根際細(xì)菌活性。耿德洲等[13]采用高通量測序技術(shù)發(fā)現(xiàn)，與農(nóng)田相比，貧營養(yǎng)型細(xì)菌類群酸桿菌門豐度在苜蓿土壤中有所增加，而富營養(yǎng)型細(xì)菌類群變形菌門則減少。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其群落結(jié)構(gòu)的多樣性可以反映出生態(tài)環(huán)境的功能演變及其環(huán)境影響[9，14]。由于根系的穿插，使根際的通氣條件和水分狀況優(yōu)于根際外，從而形成利于微生物的生態(tài)環(huán)境。以上研究均表明施肥、接種會(huì)對苜蓿產(chǎn)量、品質(zhì)以及土壤微生物造成一定影響。

因此，本研究于環(huán)青海湖地區(qū)的青海省草原改良試驗(yàn)站進(jìn)行實(shí)驗(yàn)小區(qū)田間試驗(yàn)，利用田間觀測和高通量測序技術(shù)方法對兩種苜蓿生長狀況和土壤根際微生物進(jìn)行研究，分析在不同拌種根瘤菌條件下環(huán)青海湖地區(qū)兩種苜蓿生長及根際土壤微生物的變化規(guī)律，探討兩種苜蓿生長及根際微生物多樣性與拌種根瘤菌劑量間的相互關(guān)系，旨在明確微生物肥料對土壤生態(tài)環(huán)境的影響，為苜蓿改良土壤和草牧業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海湖西岸的青海省草原改良試驗(yàn)站，即共和縣石乃亥鄉(xiāng)境內(nèi)，屬三州三縣三鄉(xiāng)(鎮(zhèn))地域交界之地，距青海湖約11 km，位于東徑99°35′，北緯37°05′，平均海拔3 270 m。該地區(qū)氣溫低、晝夜溫差大、降雨少而集中、日照長、太陽輻射強(qiáng)[15-16]，年平均氣溫-0.7℃，年降水量368.11 mm，年蒸發(fā)量1 495.3 mm，相對濕度58%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與樣品采集

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，在青海省草原改良試驗(yàn)站布置3 m×5 m實(shí)驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)間距1 m。按0.067 ha 0 g，25 g，50 g，75 g根瘤菌菌肥劑量設(shè)計(jì)0，25%，50%，75% 4個(gè)拌種濃度梯度，3次重復(fù)，共設(shè)24個(gè)小區(qū)。

苜蓿品種選用北京林業(yè)大學(xué)的‘北林201’紫花苜蓿(Medicagosativa‘Beilin201’)和‘北林202’紫花苜蓿(Medicagosativa‘Beilin202’)。拌種所用根瘤菌劑選自四川省川草生態(tài)科技開發(fā)有限責(zé)任公司提供的25 kg·袋-1規(guī)模的固氮根瘤菌劑。于2020年6月15日按2 000 g·(0.067 ha)-1種子播種，播種前將根瘤菌劑與苜蓿種子按0 g·(0.067 ha)-1,25 g·(0.067 ha)-1,50 g·(0.067 ha)-1,75 g·(0.067 ha)-1的比例充分混合，使每個(gè)種子表面都均勻黏上菌液，在陰涼處晾干，12小時(shí)內(nèi)播種，播種時(shí)每隔20 cm開溝5 cm深，將拌種均勻的撒入溝中，覆蓋并踩實(shí)。

1.2.2樣品采集 于2020年9月11日，對各小區(qū)植被生長狀況進(jìn)行觀測并對長勢均勻區(qū)域進(jìn)行隨機(jī)取樣，利用鐵鏟大范圍的鏟出完整苜蓿根，抖落根系大塊土壤板結(jié)，收集附于根上0～5 mm的土壤作為根際土[17]，立即裝入無菌密封袋，低溫運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，于-80℃冰箱保存，用于微生物分析。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1苜蓿生長速率測定 從7月19日開始，每10 d隨機(jī)選取10株測量株高并取均值(測5次)，相隔兩次的值來計(jì)算其相對生長速率。

其中P為測量的株高，而n是相隔10 d后的測量次數(shù)。通常株高指自然高度，最后換算為cm。

1.3.2生物量的測定 在苜蓿生長期每隔10 d在每個(gè)小區(qū)內(nèi)密度、長勢均勻的地方，隨機(jī)選擇十株，采用刈割法，齊地面剪取植物地上部分，裝在信封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，105℃殺青2 h，在65℃下于鼓風(fēng)干燥箱烘至質(zhì)量恒定，測定干重，作為地上生物量的指標(biāo)。

1.3.3土壤微生物的測定 將保存于-80℃的土壤樣品，根據(jù)MOBIO土壤強(qiáng)力DNA提取試劑盒(MOBIO Laboratories,Carlsbad,CA,美國)說明書從0.25 g土壤中提取總DNA，16S rRNA用V3-V4區(qū)的通用引物515F(5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWT-CTAAT-3′)擴(kuò)增，基于Illumina Miseq測序平臺(tái)進(jìn)行高通量測序。測序委托深圳美格基因公司進(jìn)行測序。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

利用Galaxy分析平臺(tái)(http://mem.rcees.ac.cn:8080/)整理微生物測序的原始數(shù)據(jù)[18-19]。使用UPARSE[20]將序列聚類為可操作的分類單元(OTU)，序列相似度閾值為97%，獲得OTU表進(jìn)行后續(xù)的微生物多樣性分析。韋恩圖應(yīng)用Draw Venn繪制平臺(tái)(http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/Venn/)進(jìn)行制作，其他圖均利用Origin 2019制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種苜蓿株高和生長速率差異分析

對不同拌種濃度梯度下兩種苜蓿株高分析發(fā)現(xiàn)(圖1)，兩種苜蓿株高隨著拌種濃度的增加呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，即在拌種濃度梯度達(dá)到50%后，兩種苜蓿株高發(fā)生降低趨勢；‘北林201’苜蓿株高達(dá)到了12.47 cm，‘北林202’苜蓿則為13.43 cm；拌種對‘北林202’苜蓿的作用高于‘北林201’苜蓿。

圖1 兩種苜蓿株高Fig.1 Two kinds of alfalfa plant heights注：A代表‘北林201’，B代表‘北林202’；1，2，3，4分別代表拌拌種梯度0，25%，50%和75%；不同小寫字母表示各處理間的顯著差異性(P<0.05)。下同Note:A stands for ‘Beilin 201’,and B stands for ‘Beilin 202’;1,2,3 and 4 represent the fertilizer gradient 0,25%,50% and 75%,respectively;Different lowercase letters indicate significant differences between treatments at the 0.05 level. The same as below

兩種苜蓿生長速率繪制的生長曲線如圖2所示，在四個(gè)拌種濃度梯度下‘北林201’苜蓿的生長速率分別是0.237，0.225，0.255，0.238；‘北林202’苜蓿的生長速率分別是0.258，0.268，0.273和0.243。在拌種梯度為50%的條件下，‘北林201’苜蓿和‘北林202’苜蓿生長率均為最高,并且‘北林202’苜蓿生長速率比‘北林201’苜蓿生長速率增加了1.8%。

圖2 兩種苜蓿梯度生長曲線分析Fig.2 Tow kinds of alfalfa gradient growth curve注：RGR代表生長速率，簡寫為RNote:RGR stands for growth rate,abbreviated as R

2.2 兩種苜蓿地上生物量分析

通過對兩種苜蓿地上生物量差異分析，發(fā)現(xiàn)對于‘北林201’，不拌種處理的苜蓿生物量顯著高于拌種處理(P<0.05)，并且隨著拌種劑量的增加，‘北林201’的生物量呈降低趨勢。而對于‘北林202’苜蓿，25%的拌種濃度增加了苜蓿的生物量，但是當(dāng)拌種濃度為50%和75%時(shí)，苜蓿的生物量并沒有增加(圖3)，‘北林202’苜蓿生物量表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，但是差異性不顯著。

圖3 不同拌拌種劑量下的兩種苜蓿地上生物量圖Fig.3 Yield of two kinds of alfalfa under different dosages of bacterial fertilizer

2.3 兩種苜蓿根際群落分析

2.3.1兩種苜蓿根際細(xì)菌群落多樣性分析 48個(gè)土壤樣本共獲得620多萬條高質(zhì)量細(xì)菌16S rRNA基因序列，由于各樣本序列差異較大，將所有的樣本統(tǒng)一到相同的總Reads數(shù)量(34 541)對每個(gè)樣本進(jìn)行隨機(jī)重抽，對樣本不同處理之間的OTU進(jìn)行比較，利用韋恩圖說明兩種苜蓿在不同拌種處理下獨(dú)有和共有的OTU數(shù)，并將其可視化(圖4)。其中，對于‘北林201’苜蓿，四個(gè)拌種濃度梯度處理共有的OTU有18個(gè)，而不拌種處理的OTU數(shù)明顯高于拌種處理，高出242個(gè)OTU，四個(gè)拌種濃度梯度獨(dú)有的OTU分別有1 332，1 115，1 018，1 140個(gè)。對于‘北林202’苜蓿，四個(gè)拌種梯度共有的OTU數(shù)是8個(gè)，與‘北林201’不同的是，‘北林202’在75%濃度梯度下獨(dú)有的OTU數(shù)最多，為1 258個(gè)(圖4)。

圖4 兩種苜蓿根際土壤韋恩圖Fig.4 Venn diagram of two alfalfa rhizosphere soils

應(yīng)用辛普森指數(shù)(Inv_Simpson)、豐富度指數(shù)(Observed_richness)來表征苜蓿土壤細(xì)菌的α多樣性。由圖5-A可知，拌種處理后有增加‘北林201’苜蓿的辛普森指數(shù)(Inv_Simpson)趨勢，但差異不顯著，且在拌種劑量為50%時(shí)出現(xiàn)最高；而豐富度指數(shù)(Observed_richness)則是隨著拌種梯度的增加逐漸下降。表明拌種處理增加了‘北林201’紫花苜蓿根際土壤的物種多樣性卻減少了物種豐富度。

圖5 兩種苜蓿樣品土壤α多樣性Fig.5 Two kinds of alfalfa Sample soil alpha diversity注：Inv_Simpson表示辛普森指數(shù)，Observed_richness表示豐富度指數(shù)Note:Inv_Simpson represents the Simpson index,and Observed_richness represents the richness index

對于‘北林202’苜蓿，其辛普森指數(shù)(Inv_Simpson)、豐富度指數(shù)(Observed_richness)均在拌種25%梯度時(shí)下降，在拌種50%上升，之后在75%梯度時(shí)再次下降，表現(xiàn)出先下降再上升后降低的趨勢；但是在拌種50%情況下，其辛普森指數(shù)(Inv_Simpson)明顯高于不拌種處理而豐富度指數(shù)(Observed_richness)低于不拌種處理(P<0.05)。同樣說明拌種處理增加了‘北林202’紫花苜蓿根際土壤的物種多樣性卻減少了物種豐富度。

2.3.2兩種苜蓿根際細(xì)菌群落組成分析 本研究兩種苜蓿所有的樣本共檢測到44門784屬，在門水平上，兩種苜蓿的優(yōu)勢菌門均為變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、酸桿菌門(Acidobacteria)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)。對于‘北林201’，拌種處理增加了變形菌門(Proteobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、綠彎菌門(Chloroflexi)的相對豐度，分別增加了6.82%，15.93%，31.55%，降低了放線菌門(Actinobacteria)和酸桿菌門(Acidobacteria)的相對豐度，分別降低了31.79%，18.67%?！绷?02’苜蓿拌種處理與不拌種處理相比，拌種增加了9.16%的放線菌門(Actinobacteria)和10.72%的厚壁菌門(Firmicutes)的相對豐度。

在屬水平上，兩種苜蓿的優(yōu)勢菌屬均為節(jié)桿菌(Arthrobacter)、微小桿菌(Exiguobacterium)、假單胞菌(Pseudomonas)、黃桿菌(Flavobacterium)、腸桿菌(Enterobacter)、不動(dòng)桿菌(Acinetobacter)、根瘤菌(Rhizobium)。對于‘北林201’，拌種處理增加了微小桿菌(Exiguobacterium)、不動(dòng)桿菌(Acinetobacter)、根瘤菌(Rhizobium)的相對豐度，分別增加了2.05%，2.53%，0.80%，降低了節(jié)桿菌(Arthrobacter)、腸桿菌(Enterobacter)的相對豐度，分別降低了4.43%和2.54%。‘北林202’苜蓿拌種處理與不拌種處理相比，拌種增加了1.94%的節(jié)桿菌(Arthrobacter)、2.26%的微小桿菌(Exiguobacterium)和1.72%的假單胞菌(Pseudomonas)的相對豐度。

圖6 ‘北林201’苜蓿門、屬分類水平下的細(xì)菌群落相對豐度Fig.6 The relative abundance of bacterial communities in ‘Beilin 201’ Medicago phylum and genus classification level

圖7 ‘北林202’苜蓿門、屬分類水平下的細(xì)菌群落相對豐度Fig.7 The relative abundance of bacterial communities in ‘Beilin 202’ Medicago phylum and genus classification level

2.3.3兩種苜蓿根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析 基于Bray-Curtis距離(表1)進(jìn)行的非度量多維尺度法NMDS群落結(jié)構(gòu)分析表明，‘北林201’苜蓿根際微生物在細(xì)菌水平上群落分布比較集中(圖8左)?！绷?02’苜蓿的NMDS分析如圖8右所示，拌種處理的群落相似性逐漸降低；相對于不拌種處理，拌種處理的群落分布越來越集中，表明拌種處理影響了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。

圖8 兩種苜蓿根際細(xì)菌NMDS分析Fig.8 NMDS analysis of two alfalfa rhizosphere bacteria

表1 兩種苜蓿根際細(xì)菌不相似性檢驗(yàn)Table 1 Two kinds of alfalfa rhizosphere bacteria dissimilarity test

3 討論

3.1 拌種對兩種苜蓿株高和生物量的影響

生物菌肥作為一種新型的環(huán)境友好型肥料，其所包含的有益微生物不僅能給植物提供營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)植物生長，起到使植物增產(chǎn)的作用，同時(shí)也能很好的改善土壤質(zhì)量[21]。本研究結(jié)果表明，生物拌種處理的兩種苜蓿株高和生長速率都明顯增加，且在拌種濃度為50%時(shí)增長最明顯，該結(jié)果與前人研究[10，22-23]的結(jié)果一致，添加生物菌肥能明顯增加植被的株高。盧秉林等[24]通過田間試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)添加生物菌肥能增加春小麥生物產(chǎn)量和穗長。陳龍等[25]研究微生物肥替代化肥時(shí)發(fā)現(xiàn)，微生物肥能顯著增加玉米的株高、地上生物量、穗重。李敏等[26]研究發(fā)現(xiàn)生物菌肥可促進(jìn)黃瓜株高、莖粗和葉片數(shù)。本研究結(jié)果表明拌種處理后‘北林202’生物量先增加后降低，但是‘北林201’生物量減少，這可能與牧草種植時(shí)間太晚導(dǎo)致牧草錯(cuò)過最佳生長期有關(guān)。除此之外，影響苜蓿生長狀況的因素還有苜蓿品種、施肥量、種植株距和行距、刈割高度、氣候、日光照等，亦有可能是生物肥料的時(shí)空局限性，對兩種苜蓿的響應(yīng)不同，牧草尚未適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境和肥料條件，進(jìn)而導(dǎo)致生物量增加不明顯，具體原因還需進(jìn)一步研究。

3.2 拌種處理對兩種苜蓿土壤微生物的影響

土壤細(xì)菌群落多樣性受種植作物的影響[27]，不同的微生物通過分泌不同胞外酶從而在土壤養(yǎng)分循環(huán)中發(fā)揮著不同的功能[28]，進(jìn)而使作物生長，即土壤微生物群落多樣性影響種植作物的生物量，有研究表明：某些微生物會(huì)與植被形成共生體系，如固氮菌與豆科植物形成根瘤菌，促進(jìn)豆科植物的生長和產(chǎn)量提高[29-31]。本研究結(jié)果表明拌種處理后兩種苜蓿多樣性增加，豐富度降低，這與拌種處理后‘北林202’生物量先增加后降低，‘北林201’生物量減少對應(yīng)，說明拌種對‘北林201’和202產(chǎn)量的差異性與土壤微生物差異性是有關(guān)系的。對于兩種苜蓿細(xì)菌群落組成分析表明，兩種苜蓿的主要優(yōu)勢菌門均為變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、酸桿菌門(Acidobacteria)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)，且拌種處理增加了變形菌門(Proteobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)的相對豐度，這兩個(gè)門水平下的許多微生物能很好的適應(yīng)并生存于各類環(huán)境，甚至是極端環(huán)境[32-33]；變形菌門(Proteobacteria)包括植物共生的細(xì)菌(如根瘤菌屬)，因此說明拌種處理增強(qiáng)了兩種苜蓿固氮的可能性。本研究結(jié)果表明，拌種處理后土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)存在差異，說明拌種處理對于微生物群落結(jié)構(gòu)有一定的影響。相關(guān)研究[34-35]發(fā)現(xiàn)，增施生物菌肥能增加土壤細(xì)菌數(shù)量，改善土壤理化性質(zhì)，調(diào)節(jié)土壤微生物生態(tài),有效解除作物連作障礙；孫家駿和陳龍等[25，36]發(fā)現(xiàn)，施用生物有機(jī)肥可提高土壤酶活性以及微生物物種多樣性，增加土壤細(xì)菌和放線菌數(shù)量，這一結(jié)果與本研究結(jié)果一致，拌種處理后‘北林202’苜蓿的根際微生物細(xì)菌數(shù)量增加，且放線菌門和變形菌門的相對豐度增加。

4 結(jié)論

本研究利用田間觀測和高通量技術(shù)對兩種苜蓿拌種處理后生長狀況及土壤細(xì)菌群落多樣性的分析結(jié)果表明：拌種處理之后，兩種苜蓿的株高、生長率皆有明顯增加，且在拌種濃度為50%時(shí)效果最佳；拌種處理影響了兩種苜蓿土壤細(xì)菌多樣性和群落組成，其中，拌種處理增加了‘北林202’土壤細(xì)菌多樣性，但降低了‘北林201’的細(xì)菌多樣性，并且拌種處理增加了變形菌門(Proteobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)的相對豐度。該研究探討了豆科牧草在拌種處理后對兩種苜蓿生長及根際微生物的影響，為微生物/植被生態(tài)修復(fù)技術(shù)中豆科共生體優(yōu)勢產(chǎn)生的機(jī)理提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，本研究為退化草地土壤微生物修復(fù)提供依據(jù)。