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豆科植物-根瘤菌共生固氮是目前发现的最有效的生物固氮方式,在植物细胞内的共生根瘤菌从宿主获取必需的营养物并还原氮气为氨供宿主使用。紫花苜蓿(Medicaga sativa L.)是重要的豆科牧草,它可从根际中选择共生兼容性的根瘤菌,形成固氮根瘤。根瘤菌的共生效率会受土壤非生物因子及土著根瘤菌种群等的影响,但我们对根际土壤这一复杂环境条件下根瘤菌群落及整体微生物群落结构和功能特征还知之甚少,本论文将围绕这一问题展开研究。本论文首先调查了西藏高原雅鲁藏布江流域农田和自然生态系统中苜蓿根瘤内及根际土中的根瘤菌群落的物种和遗传多样性。使用BOX-PCR指纹图谱、持家基因rpoB和结瘤基因nodC对581个根瘤分离物进行鉴定。这些菌株属于Sinorhizobium meliloti的4个rpoB单倍型(rpoB-Ⅰ,473 株,rpoB-Ⅱ,95;rpoB-Ⅲ,1;rpoB-Ⅳ,10),Sinorhizobi(1 medicae株)和Rhizobium sp.(1 株)。32个代表菌株的回接实验表明它们在苜蓿上的共生性能有很大的差异。对34个根际土壤样品的rpoB高通量测序发现,根瘤中主要的ropB-I单倍型在根际土壤14个rpoB单倍型中也占主导地位。在苜蓿根际土中,除了 S.meliloti之外,还检测到其他豆科植物的40多种共生根瘤菌。虽然苜蓿根瘤菌的核苷酸多样性水平很低,但多元统计分析表明农田与自然生态系统之间的总根瘤菌群落具有显著差异。此外,土壤pH值和氮含量,是影响根际土壤中根瘤菌群落β-多样性的主要因素。为了进一步分析土壤来源和前茬作物对苜蓿根际微生物群落的影响,本论文在西藏选取同一地块的苜蓿和青稞非根际土,通过整合16S rRNA基因、rpoB和宏基因组测序,在温室条件下分析了苜蓿-苜蓿连作、青稞-苜蓿轮作等对苜蓿根际微生物的整体群落结构及功能特征的影响,并与青稞根际微生物的群落结构和功能特征进行了比较分析。研究发现:苜蓿和青稞幼苗根际微生物群落在门纲目科分类水平上无显著差异;而种水平的rpoB高通量分析表明苜蓿根际土中仅有少数根瘤菌种如R.leguminosarsa和S.meliloti的丰度显著高于青稞的根际土,并且这些根瘤菌的富集不依赖于植物的年龄和生长环境;许多根瘤菌种如R.tibeticum、R.giardinii和R.herbae在青稞幼苗的根际土中也显著富集;苜蓿连作减弱了总微生物群落以及根瘤菌种群在其根际的生态位分化,这种减弱效应与土壤中原始细菌的丰度及连作处理本身有关;有更多参与维生素、抗生素、铁载体,以及植物激素如类黄酮、赤霉素、细胞分裂素和脱落酸等生物合成的酶在连作苜蓿的根际土壤中富集;参与碳水化合物、脂肪酸和氨基酸降解的酶在轮作苜蓿的根际富集,与之正好相反,许多参与这些物质生物合成的相关酶在连作苜蓿的根际富集。以上研究表明,与自然生态系统相比,土壤耕作显著影响了根际土壤中的根瘤菌种群。根瘤菌种群在根际中的富集并不是豆科植物特有的,而苜蓿则选择了 S.meliloti的优势种群作为其主要共生伙伴。与碳水化合物、脂肪酸和氨基酸三种主要能源物质代谢,以及与宿主-微生物、微生物-微生物互作相关的代谢途径在根际微生物类群中富集。植物和土壤来源是影响根际整体微生物群落结构分化的主要因素,而连作影响了根瘤菌群落的结构分化,并可能改变了植物-微生物、微生物-微生物互作相关代谢功能在根际富集功能类群中的比例,以及能源物质代谢的方向。总而言之,苜蓿根际微生物的群落结构和功能特征的生态位分化受生境、土壤及耕种方式等多方面因素的影响。