菌根真菌对典型草原不同恢复演替阶段优势植物的反馈机制研究

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草原是我国重要的陆地生态系统之一,被誉为地球的“皮肤”,其生态地位十分特殊,具有承担着涵养水源、保持水土、防风固沙、调节气候等重要的生态功能。但近年来我国草原发生了不同程度的退化,其中,位于内蒙古境内的典型草原由于过度放牧导致严重退化,生产功能急剧下降,生态功能日趋脆弱。目前,寻求草原的退化机理及其恢复途径成为草地生态学的研究热点,其中,微生物介导的植物-土壤反馈在草地群落演替中的作用及机理逐渐受到生态学家关注。但是,迄今为止的反馈研究大多是将根际微生物作为一个整体来考量的,分析的是多种微生物甚至包含土壤理化性质在内的集合效应,对关键微生物类群特有的反馈规律和机制依然模糊。在复杂多样的根际微生物中,丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,简称AMF)因其独特的生物学和生态学特性成为了目前研究微生物-植物相互反馈的重点。针对AMF-植物相互反馈对草原恢复和演替作用的研究依然相对匮乏,缺少关键微生物在草原生态系统演替驱动机制的认识。因此,本研究以内蒙古温带典型草原中不同演替阶段的代表植物为研究对象,通过野外取样、宿主诱导、交互回接及同位素标记等实验设置,以期回答以下科学问题:(1)不同恢复演替阶段植物能否诱导形成不同组成的AMF群落?(2)AMF能否反馈影响不同恢复演替阶段的植物?(3)AMF-植物反馈随植物演替阶段变化的功能机制是什么?通过对上述科学问题的揭示,可以阐明菌根真菌对不同恢复演替阶段优势植物的反馈作用。主要研究结果如下:1、从内蒙古典型草原常见的15种植物中发现AMF共计7个科10个属,其中Glomus属在15种植物中均为优势属,其余各属相对丰度在不同植物中存在差异。表明AMF与宿主植物之间的共生关系具有一定的偏好性。2、对6种不同恢复演替阶段代表植物根系和根围土AMF群落测序结果显示,演替早期植物冷蒿的AMF物种丰富度最高。网络分析显示,绝大多数的真菌未表现出宿主偏好性,而表现出宿主偏好性的真菌多为偶见种,AMF表现出强嵌套,低模块化的特性。3、不同恢复演替阶段优势植物能够诱导出不同的AMF群落,且对植物的生长具有显著的影响。通过对反馈系数分析,AMF群落能够促进草地恢复演替方向的发展,从地下微生物的角度解释了草原恢复过程中植物的演替。4、接种AMF群落能够显著的提高植物对N的吸收和C的固化,其中植物对13C的固化量约占总标记量的25%以上,对15N的吸收相对较少,仅为总标记量的1.3-4.2%。综上所述,本研究通过对典型草原菌根真菌对不同恢复演替阶段优势植物的反馈作用研究,发现演替晚期植物接种非同源AMF能够对其养分吸收和生物量形成正反馈,但演替早期植物接种则会产生负反馈,在植物群落演替过程中,AMF群落对植物的反馈作用是植物群落由演替早期植物(糙隐子草、冷蒿)向演替晚期植物(羊草、大针茅)演替的重要驱动机制;而在接种同源AMF群落条件下,不同演替时期植物种均受到负反馈影响,AMF通过抑制植物生长和养分吸收能力来缩短优势种的生态幅,为非优势植物提供更多的生态位空间,进而维持典型草原植物群落的多样性;另外,不同植物种来源的AMF群落优势属(Glomus属)基本一致,但稀有种差异较大,且其为不同植物种提供的服务功能存在差异。因此,稀有种对AMF群落功能的发挥可能具有重要的调控作用,未来研究中应当更加关注AMF群落中稀有种的生态功能,从而提升对AMF生态功能的认识,进而为AMF应用于草地生态系统的管理和退化治理提供理论支撑。
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