小麦根系分泌物对黄瓜生长及土壤真菌群落结构的影响_吴凤芝.pdf

书书书小麦根系分泌物对黄瓜生长及土壤真菌群落结构的影响*吴凤芝李敏曹鹏马亚飞王丽丽(东北农业大学园艺学院，哈尔滨 150030)摘要以黄瓜为受体，以不同化感效应(促进/抑制)小麦品种为供体，采用 PC-DGGE 技术，研究了小麦根系分泌物及伴生小麦对黄瓜生长及土壤真菌群落结构的影响 结果表明:在处理第 6 天和第 12 天，化感促进效应小麦根系分泌物分别显著提高了黄瓜幼苗株高和茎粗;在处理第 18 天，化感促进和抑制效应小麦根系分泌物均显著提高了黄瓜幼苗株高;在处理第 6 天，不同化感效应小麦根系分泌物均显著降低了黄瓜幼苗根际土壤真菌群落条带数、Shannon 指数及均匀度指数，有苗对照(W)显著高于无苗对照(Wn);在处理第 18 天，各处理的真菌群落结构条带数、Shannon 指数及均匀度指数均显著高于无苗对照(Wn)伴生化感抑制效应小麦显著降低了黄瓜根际土壤真菌群落 Shannon 指数和均匀度指数，说明小麦根系分泌物及伴生小麦改变了土壤真菌群落结构 DGGE 图谱及其主成分分析结果表明，伴生不同化感效应小麦对土壤真菌群落结构影响较大关键词小麦根系分泌物黄瓜伴生真菌群落结构文章编号10019332(2014)10286107中图分类号Q5文献标识码AEffects of wheat root exudates on cucumber growth and soil fungal community structure WUFeng-zhi，LI Min，CAO Peng，MA Ya-fei，WANG Li-li(College of Horticulture，Northeast Agricul-tural University，Harbin 150030，China)-Chin J Appl Ecol，2014，25(10):28612867Abstract:With wheat as the donor plant and cucumber as the receptor plant，this study investiga-ted the effects of root exudates from wheat cultivars with different allelopathic potentials(positive ornegative)and companion cropping with wheat on soil fungal community structure by PC-DGGEmethod and cucumber growth esults showed that the wheat root exudates with positive allelopathicpotential increased height and stem diameter of cucumber seedlings significantly，compared to thecontrol seedlings(W)after 6 days and 12 days treatment，respectively Also，wheat root exudateswith both positive and negative allelopathic potential increased the seedling height of cucumber sig-nificantly after 18 days treatment The wheat root exudates with different allelopathic potentials de-creased the band number，Shannon and evenness indices of soil fungal community significantly incucumber seedling rhizosphere，and those in the soil with the control seedlings(W)were also sig-nificantly higher than that in the control soil without seedlings(Wn)after 6 days treatment Theband number，Shannon and evenness indices in all the treatments were significantly higher thanthose in the control soil without seedlings(Wn)after 18 days treatment Companion cropping withnegative allelopathic potential wheat decreased the Shannon and evenness indices of soil fungi com-munity significantly in the cucumber seedling rhizosphere，suggesting the wheat root exudates andcompanion cropping with wheat changed soil fungal community structure in the cucumber seedlingrhizosphere The results of DGGE map and the principal component analysis showed that companioncropping with wheat cultivars with different allelopathic potentials changed soil fungal communitystructure in cucumber seedling rhizosphereKey words:wheat;root exudate;cucumber;companion cropping;fungal community structure*国家自然科学基金项目(30971998)、黑龙江省教育厅项目(12541032)和大宗蔬菜产业技术体系专项(CAS-25-08)资助通讯作者 E-mail:fzwu2006 aliyun com2013-12-16 收稿，2014-07-27 接受应 用 生 态 学 报2014 年 10 月第 25 卷第 10 期Chinese Journal of Applied Ecology，Oct 2014，25(10):28612867DOI:10.13287/j.1001-9332.2014.0156植物的化感作用是自然界中普遍存在的一种化学生态学现象，是一种活体植物(供体)产生并以挥发、淋溶、分泌和分解等方式向环境释放次生代谢物质，而对周围的植物产生有益和有害的影响，这一自然现象称为植物的化感作用12 现已证明，化感作用对自然植物群落的形成、演替和农作物对病草害的抗性以及连、间、套作方式有重要的影响3 因此，如何使化感作用在农业中获得实际应用已成为广泛关注的问题小麦是一种化感型作物，通过根系分泌及残茬分解等方式对自身或邻近植物的生长发育产生促进或者抑制作用 不同小麦品种根系分泌物对黄瓜的化感效应不同4 小麦根系浸提液对黄瓜生长具有促进作用，对黄瓜枯萎病菌具有抑制作用5 根系分泌物对根际微生物的影响是化学生态学研究的重要内容之一6 有研究表明，不同化感潜力分蘖洋葱根系分泌物提高了黄瓜根际土壤细菌和放线菌数量，降低了真菌和尖镰孢菌的数量，提高了细菌群落多样性7，不同化感效应小麦根系分泌物对黄瓜土壤酶活性产生差异8 越来越多的研究表明，根系分泌物启动和调节根与土壤微生物的对话9 最新的证据表明，一些特定植物品种是通过根系分泌的物质来调控和培养它们自己的真菌群落组成和多样性，当向土壤中加入根系分泌物时会影响其真菌的组成10 但不同化感效应小麦根系分泌物对土壤微生物的影响鲜有报道本研究以黄瓜为受体，采用对黄瓜化感效应不同的小麦品种为供体，研究不同化感效应小麦根系分泌物以及伴生小麦对黄瓜生长及土壤真菌群落结构的影响，为阐明伴生栽培模式中根系分泌物的作用，揭示根系分泌物的生态学效应提供理论依据1材料与方法1.1供试材料试验于 2009 年 3 月2011 年 3 月在东北农业大学蔬菜生理生态研究室进行 供试黄瓜(Cucumissativus)品种:津优 1 号，由天津科润农业科技股份有限公司黄瓜研究所研制 供试小麦(Triticum aesti-vum)品种(系):对黄瓜化感促进效应最强的龙辐04-0348 和化感抑制效应最强的龙福 174 1.2试验设计1.2.1 不同化感效应小麦根系分泌物对黄瓜幼苗生长及土壤真菌群落结构的影响试验黄瓜常规浸种催芽播种，子叶展开后移苗至盛有 150 g 育苗营养土(大田土:腐熟有机肥=1:1，每立方米土壤加磷酸二铵 2 kg)的营养钵中(8 cm8 cm)，常规管理收集龙辐 04-0348 和龙福 17 小麦根系分泌物 黄瓜幼苗长至一叶一心时，分别用 20 mL 小麦根系分泌物(1 mL 水含 1 株小麦根系分泌物)处理，对照加20 mL 蒸馏水，并分别设无苗对照，即营养钵中(150g 营养土)不种黄瓜 处理及编号见表 1 每个处理 3次重复，各重复小区设有保护行，随机排列，每个重复 30 株，常规管理 分别在根系分泌物处理后第 6、12、18 天取样，测定黄瓜生长指标(包括株高、茎粗、植株地上地下干质量、叶面积)和土壤真菌群落结构1.2.2 伴生不同化感效应小麦对黄瓜土壤微生物的影响试验黄瓜常规浸种催芽播种，6 月 1 日定植于大棚，定植时分别伴生龙辐 04-0348(Ip)和龙福17(Ii)，每垄(6 m)条播小麦 20 g 于两垄搭架黄瓜垄台外侧，以黄瓜单作为对照(CK)，共 3 个处理，每个处理 3 次重复，每个重复面积为 3 6 m2(6 m0 6 m)，定植黄瓜 15 株，按重复设小区，各小区设有保护行，小区完全随机排列，黄瓜常规管理，小麦长至 30 cm 左右时留 5 cm 左右茬割掉，以免影响黄瓜生长 在黄瓜定植后 40 d 测定黄瓜土壤真菌多样性(包括 Shannon 指数和均匀度指数)1.3研究方法1.3.1 小麦根系分泌物的收集参照 Wu 等11 的方法 将待收集的小麦品种(系)，分别播种于盛有 150 g 土壤的营养钵中(8 cm8 cm)，每钵播种20 粒小麦种子，每个品种 10 钵，3 次重复，置于日光温室中培养，昼温28，夜温15 20 d 后，待小麦长至 15 cm 左右时，将小麦完整取出，用自来水冲去附着在根表面的土壤，再用蒸馏水淋洗根系 3 次，将幼苗置于塑料盒中并固定，加蒸馏水 200 mL，通气培养 24 h，收集的培养液即为小麦根系分泌物 3 层滤纸过滤，加蒸馏水定容至1 mL(1 mL 蒸馏水中含有1株小麦根系分泌物)，用0.45 m滤膜过滤后，密封表 1试验处理及编号Table 1Experiment treatment and code编号处理 TreatmentP化感促进效应小麦根系分泌物处理黄瓜幼苗I化感抑制效应小麦根系分泌物处理黄瓜幼苗W蒸馏水处理黄瓜幼苗Pn化感促进效应小麦根系分泌物处理无苗土壤In化感抑制效应小麦根系分泌物处理无苗土壤Wn蒸馏水处理无苗土壤2682应用生态学报25 卷置于 4 冰箱中备用1.3.2 土壤真菌群落结构多样性分析土壤总DNA 利用 A E Z N ATMSoil DNA Kit(Omega Bio-Tek，Inc，GA，USA)提取 采用对大多数真菌的ITS 序列通用引物对 ITS1-F12/ITS413、GC-ITS1-F/ITS212 进行巢式 PC 扩增 PC 反应体系及条件参考 Zhou 和 Wu14 的方法变性梯度凝胶电泳(DGGE)采用 8%的聚丙烯酰胺凝胶，变性剂浓度从 20%至 60%(100%的变性剂为 7 molL1的尿素和 40%去离子甲酰胺的混合物)用 D-code System 电泳仪(Bio-ad Lab，LA，USA)，电压 80 V，温度 60，电泳 14 h 结束后，将胶取下用 1 3300(V/V)Geled(Biotium，USA)染色 20 min 利用 AlphaImager HP-1 2 0 1 成像系统照相1.4数据处理试验中原始数据的整理采用 Microsoft Excel2003 软件完成;数据处理采用 SAS 9 0 软件，方差分析使用 ANOVA 过程 采用 Bio-ad Quantityone4.5 软件对 DGGE 图谱进行数字化、标准化分析，主成分分析采用 Canoco for Windows 4 5 软件15 2结果与分析2.1不同化感效应小麦根系分泌物对黄瓜幼苗生长的影响由表 2 可知，在处理后的各个时期，与对照(W)相比，P 处理对黄瓜幼苗的株高、茎粗、地下部干质量均有促进作用，在处理后第 6 和 18 天，对株高促进作用差异显著;在处理后第 12 天，对茎粗促进作用差异显著 与 W 相比，I 处理对黄瓜幼苗的株高、茎粗、地上部干质量均表现为前期抑制后期促进，在处理后第 18 天，对株高促进作用显著 与对照相比，P 处理和 I 处理均促进了黄瓜幼苗地下部干质量，但差异不显著2.2不同化感效应小麦根系分泌物对黄瓜幼苗土壤真菌群落结构的影响由图 1 可以看出，处理后第 6 天，黄瓜幼苗土壤真菌群落结构与无苗土壤差异较大 与 W 相比，P处理和 I 处理的 DGGE 图谱上部条带增亮，中部条带变暗，并减少部分条带;与 Wn 相比，Pn 和 In 处理的 DGGE 图谱条带增亮，且增加部分条带 PCA 分析图中，P 处理和 I 处理散点均位于第 1 象限，对照W 则位于第 2 象限，说明小麦根系分泌物对黄瓜幼苗土壤真菌群落结构影响较大，但 P 和 I 处理散点距离很近，说明不同化感效应小麦根系分泌物对黄瓜幼苗土壤真菌群落结构影响差异较小;Pn 和 In处理散点位于第 4 象限，对照 Wn 位于第 3 象限，说明小麦根系分泌物对无苗土壤真菌群落结构影响较大，Pn 和 In 处理散点距离较远，说明不同化感效应小麦根系分泌物对无苗土壤真菌群落结构影响差异较大处理后第 12 天，黄瓜幼苗土壤真菌群落结构与无苗土壤差异较大 与对照 W 相比，P 处理的 DGGE图谱条带亮度减弱，I 处理的 DGGE 图谱条带增亮;与对照 Wn 相比，Pn 和 In 处理的 DGGE 图谱条带亮度减弱 PCA 分析图中，P 和 W 处理散点均位于第3、4 象限，I 处理位于第 2 象限，说明不同化感效应小麦根系分泌物对黄瓜幼苗土壤真菌群落结构影响较大，但 P 和 W 处理散点距离很近，说明化感促进效应小麦根系分泌物对黄瓜幼苗土壤真菌群落结构影响较小;Pn 和 In 及 Wn 处理散点均位于第1、3 象限，且距离较近，说明小麦根系分泌物对无苗土壤真表 2不同化感强度小麦根系分泌物对黄瓜幼苗生长的影响Table 2Effects of wheat root exudates with different allelopathy potentials on cucumber seedling growth(meanSD)取样时间Samplingtime(d)处理Treat-ment株高Plant height(cm)茎粗Stem diameter(cm)地上部干质量Aboveground drymatter(g)地下部干质量oot drymatter(g)叶面积Leaf area(cm2)6P5 310256a0 53001a042007a0 08002a71718 03aI4 36008b0 51001a038002a0 07001a70938 71aW448008b0 53002a041004a0 06001a70426 74a12P1186100a0 59002a061004a0 10001a129834 31aI1129085a0 56001b057002a0 100 01a128811 84aW1124095a0 56000b062002a0 100 01a126432 59a18P1574008a0 61005a094004a0 20002a146181597aI1525055a0 63003a095002a0 200 02a144619 58aW1452014b0 59004a092002a0 200 02a147461318a同列不同字母表示同一时期不同处理间差异显著(P0 05)Different letters in the same column meant significant difference among treatments at thesame time at 005 level 下同 The same below368210 期吴凤芝等:小麦根系分泌物对黄瓜生长及土壤真菌群落结构的影响图 1处理后第 6、12 和 18 天土壤真菌 DGGE 图谱(a)及其主成分分析(b)Fig 1DGGE profile(a)and PCA analysis(b)of partial fungal ITS sequences from soil on 6，12，18 days after treatment:处理后第 6 天 6 days after treatment;:处理后第 12 天 12 days after treatment;:处理后第 18 天 18 days after treatment菌群落结构影响较小，不同化感效应小麦根系分泌物对黄瓜幼苗土壤真菌群落结构影响较小与对照相比，小麦根系分泌物处理后第 18 天，各处理 DGGE 图谱条带无显著差异 PCA 分析图中，P 和 I 处理散点基本位于第3 象限，对照 W 处理则位于第 4 象限，说明小麦根系分泌物对黄瓜幼苗土壤真菌群落结构影响较大，但 P 和 I 处理散点距离较近，说明不同化感效应小麦根系分泌物对黄瓜幼苗土壤真菌群落结构影响较小;对照 Wn 和 In 处理散点大都位于第 1 象限，Pn 处理位于第 2 象限，说明不同化感效应小麦根系分泌物对无苗土壤真菌群落结构影响差异较大，化感促进效应小麦根系分泌物对无苗土壤真菌群落结构影响较大由表 3 可以看出，处理后各时期，各处理土壤真菌 DGGD 图谱条带数及 Shannon 指数呈现先下降后上升的趋势，均匀度指数则呈先上升后下降趋势 处理后第6 天，与对照 W 相比，P 和 I 处理显著降低了黄瓜幼苗土壤真菌 DGGE 图谱条带数、Shannon 指数及均匀度指数;与对照 Wn 相比，Pn 和 In 处理提高了黄瓜幼苗土壤真菌 DGGE 图谱条带数、Shannon指数及均匀度指数，除 Pn 显著提高条带数外，其他处理差异均不显著处理后第 12 天，与对照 W 相比，P 处理降低了黄瓜幼苗土壤真菌 DGGE 图谱条带数、Shannon 指数及均匀度指数;I 处理显著提高了黄瓜幼苗土壤真菌 DGGE 图谱条带数和 Shannon 指数，提高了均匀度指数 与对照 Wn 相比，Pn 和 In 处理提高了黄瓜幼苗土壤真菌 DGGE 图谱条带数、Shannon 指数及均匀度指数，但差异均不显著处理后第 18 天，与对照 W 相比，P 和 I 处理均提高了黄瓜幼苗土壤真菌 DGGE 图谱条带数、表 3小麦根系分泌物对土壤真菌 DGGE 图谱条带数和多样性指数的影响Table 3Effects of wheat root exudates on numbers of visi-ble bands and diversity indices based on DGGE analysis ofsoil fungal community(meanSD)取样时期Samplingtime(d)处理Treatment条带数Band numberShannon 指数Shannonindex均匀度指数Evennessindex6P20312d280010c075003cI22306cd284002bc076001bcW29 010a294002a079001aPn26306b292002ab079001abIn23721c288006abc078001abcWn22706c284001bc076000bc12P13715c235017c080006cI15706a251002a085001abW14000bc238004bc081001bcPn15000ab252001a086000aIn15306a250006ab085002abWn15000ab247000abc084000abc18P22721a286010a078003aI24000a290000a079000aW22010a277012a076003aPn23312a285007a078002aIn22315a280007a076002aWn15729 b255012b070003b4682应用生态学报25 卷图 2不同化感效应小麦对黄瓜盛瓜期土壤真菌 DGGE 图谱的条带数和多样性指数的影响Fig 2Effects of wheat cultivars with different allelopathy potentials on numbers of visible bands and diversity indices based on DGGEanalysis of soil fungal community in the exuberant fruit stage of cucumber不同字母表示处理间差异显著(P005)Different letters meant significant difference among treatments at 005 level 下同 The same below图 3不同化感效应小麦对黄瓜盛瓜期土壤真菌 DGGE 图谱(a)及其主成分分析(b)Fig 3DGGE profile(a)and PCA analysis(b)of partialfungal ITS sequences from soil of cucumber at the exuberantfruit stageShannon 指数及均匀度指数，但差异不显著;与对照Wn 相比，Pn 和 In 处理显著提高了黄瓜幼苗土壤真菌 DGGE 图谱条带数、Shannon 指数及均匀度指数2.3伴生不同化感效应小麦对黄瓜盛瓜期土壤真菌群落结构的影响由图 2 可以看出，与对照相比，Ip 处理促进了黄瓜土壤真菌 DGGE 图谱条带数、Shannon 指数及均匀度指数，但差异不显著;Ii 处理降低了黄瓜土壤真菌 DGGE 图谱条带数，显著降低了 Shannon 指数及均匀度指数(P0 05)PCA 分析表明，Ip、Ii 处理与对照散点分别位于不同象限，且距离较远(图 3)，说明伴生小麦对黄瓜土壤真菌群落结构影响较大，且伴生不同化感效应小麦对土壤真菌群落结构影响较大3讨论大量研究表明，轮套作比单一栽培更有利于增加土壤微生物的数量，维持土壤微生物的多样性及活性 Zhou 等16 研究表明，分蘖洋葱与黄瓜套作，第 1、2 和 3 茬均显著提高了土壤酶活性，改变了土壤微生物群落结构;黄瓜与小麦和大豆轮作，显著提高了土壤微生物多样性指数、丰富度指数和均匀度指数17 韩哲等18 采用黄瓜与小麦伴生，显著提高了黄瓜土壤细菌群落结构多样性 本研究结果表明，不同化感效应小麦根系分泌物对黄瓜土壤真菌群落结构产生不同的影响，原因可能是不同化感效应小麦根系分泌物的组分及含量存在差异，进入土壤后对土壤微生物产生了不同的影响所致 同时，小麦根系分泌物对有苗和无苗土壤真菌群落产生了不同的影响，在处理第 6 天和 18 天，有苗土壤的真菌群落条带数、Shannon 指数及均匀度指数均显著高于无苗土壤，原因可能是黄瓜幼苗的生长及根系分泌物对土壤微生物产生了影响，地上部植物的多样性也增加了地下土壤微生物的多样性1921 在伴生体系中，伴生化感抑制效应小麦显著降低了黄瓜根际土壤真菌群落 Shannon 指数和均匀度指数，且伴生不同化感效应小麦对土壤真菌群落结构影响较大 有研究表明，小麦与黄瓜进行轮作或伴生，可使土壤微生物多样性发生改变，尤其可显著提高土壤细菌多样性指数及黄瓜产量2223 而采用不同化感潜力小麦根系分泌物处理黄瓜幼苗土壤则与之结果存在差异，且不同取样时期其结果也有一定差异，这可能是由于随着处理时间的延长其根系分泌物在土壤中的浓度发生了变化，而且受土壤微生568210 期吴凤芝等:小麦根系分泌物对黄瓜生长及土壤真菌群落结构的影响物的影响产生了一些化学变化所致24 根系分泌物进入环境以后，化感物质的滞留、可利用性和生物活性受到微生物的影响25，化感物质进入土壤中后，滞留吸附、转运和转化等过程决定了化感物质的滞留和命运26 此外，根系分泌物处理与田间伴生出现差异的原因还可能与取样时间、根系分泌物处理浓度和田间伴生小麦根系分泌浓度不同有关，也可能与环境条件不同有关本试验研究表明，化感促进效应小麦根系分泌物更有利于提高黄瓜幼苗的株高和茎粗;小麦根系分泌物及伴生小麦改变了土壤真菌群落结构;DGGE 图谱及其主成分分析结果表明，伴生不同化感效应小麦对土壤真菌群落结构影响较大 而土壤微生物种类和数量对生态环境因子变化和人为干扰的反映十分敏感2728，不同作物29 甚至同一作物的不同品种30 对土壤微生物群落结构和功能的影响不同，具体机制还有待进一步研究参考文献 1 Kong C-H(孔垂华)，Hu F(胡飞)Plant Allelop-athy and Its Appplication Beijing:China AgriculturePress，2001(in 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