引言

　　長刺蒺藜草為禾本科蒺藜草屬一年生草本植物，原產于北美洲及熱帶沿海地區，是危害性極大的外來入侵植物，在國內主要分布于遼寧、內蒙古、吉林三省交會地區，面積超過 100 萬 hm²。其具有耐旱、耐貧瘠特性，可形成單一優勢群落，抑制牧草生長，降低草場品質，刺苞還會危害牲畜健康，被列入《重點管理外來入侵物種名錄》。

　　目前，外來植物入侵機制研究集中在營養元素利用、根際微生物群落等方面。國內對長刺蒺藜草的入侵影響、防治技術等已有研究，近年也有其氮素利用機制的相關探索，如解磷菌數量增加、氮礦化速率改變等，但對根際細菌(尤其是固氮菌)的作用缺乏深入探討。因此，本研究利用高通量測序技術分析長刺蒺藜草與伴生牧草根際土壤細菌及固氮菌的差異，揭示其入侵的微生態學機理。

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗材料

　　供試植物：長刺蒺藜草種子采自吉林通榆縣玉米田周邊;伴生植物為披堿草、狗尾草、冰草，種子購于北京金土地農業技術研究所。種子經 2% NaClO 消毒后備用。

　　供試土壤：采自遼寧彰武縣科爾沁沙地南緣，為原位砂質土，去除表層 2 cm 土壤后，采集 2~10 cm 土層土壤，過 1 mm 篩備用。

　　主要試劑及儀器：土壤基因組 DNA 提取試劑盒(天根生化);PacBio 三代高通量測序平臺(美國太平洋生物科學公司)。

　　1.2 試驗方法

　　試驗設置及采樣：在實驗室進行盆栽試驗，以原位砂質土為基質，設置 4 個處理(T1 冰草、T2 長刺蒺藜草、T3 狗尾草、T4 披堿草)，每處理 5 個重復。培養期為 2022 年 12 月 10 日 —2023 年 1 月 26 日，采集根際土壤樣品，部分送測序，部分風干測定理化性質。

　　土壤理化性質測定：包括 pH 值、硝態氮、銨態氮、全氮、全磷、全鉀等指標，分別采用電極法、流動注射法、半微量開氏法等測定。

　　高通量測序：以土壤 DNA 為模板擴增 16S rRNA 和 nifH 基因，構建文庫后利用 Illumina Hiseq 平臺測序，對數據進行拼接、篩選、OTU 聚類及多樣性分析。

　　1.3 數據分析

　　利用 Excel 處理數據，SPSS 進行方差分析及多重比較;Illumina 測序數據經質控、拼接后，利用 DADA2/Deblur 等方法處理，獲得 ASV 信息，進行物種分類、多樣性及差異分析，使用美吉生信云平臺進行生物信息學分析。

　　2 結果與分析

　　2.1 根際土壤的理化性質比較

　　冰草、長刺蒺藜草、狗尾草處理的土壤全氮含量顯著高于披堿草;冰草處理的全磷、有效磷含量最高;長刺蒺藜草處理的水溶性氮含量顯著低于冰草;披堿草處理的全鉀含量顯著高于狗尾草;披堿草、狗尾草處理的 pH 值較高;冰草、長刺蒺藜草處理的硝態氮含量顯著高于狗尾草和披堿草;狗尾草處理的銨態氮含量最高。

　　2.2 根際土壤微生物和固氮微生物群落樣本層級聚類分析

　　基于 Bray_Curtis 距離的層級聚類顯示，長刺蒺藜草與冰草處理的微生物種群相似性最高，狗尾草次之，披堿草最低;固氮菌群落中，長刺蒺藜草與冰草相似性最高，披堿草次之，狗尾草最低。

　　2.3 根際土壤微生物和固氮微生物群落 PCA 分析

　　PCA 結果表明，冰草、長刺蒺藜草、狗尾草處理的微生物群落與披堿草明顯區分，長刺蒺藜草與狗尾草微生物群落結構相似性最高;固氮微生物群落中，長刺蒺藜草與冰草相似性最高。

　　2.4 根際土壤微生物和固氮微生物群落 Venn 圖分析

　　根際土壤微生物 4 個處理共有 OTU 為 391 個，披堿草群落數最高(610 個)，長刺蒺藜草最低(528 個)，長刺蒺藜草特有 OTU 為 25 個;固氮微生物共有 OTU 為 15 個，狗尾草群落數最高(28 個)，披堿草最低(20 個)，長刺蒺藜草特有 OTU 為 1 個。

　　2.5 根際土壤微生物和固氮微生物群落 Bar 圖分析

　　門水平上，變形菌門、放線菌門、酸桿菌門、綠彎菌門在微生物群落中豐度較高;變形菌門、厚壁菌門在固氮微生物群落中豐度較高。

　　2.6 根際土壤微生物和固氮微生物群落組比較分析

　　屬水平上，長刺蒺藜草處理的鏈霉菌屬豐度高于其他處理，微枝形桿菌屬豐度較低;固氮微生物中，長刺蒺藜草的芽孢桿菌、魚腥藻豐度高于其他處理。

　　2.7 根際土壤微生物和固氮微生物群落 LEfSe 分析

　　固氮菌群落中，厚壁菌門、芽孢桿菌綱、芽孢桿菌目、芽孢桿菌科、芽孢桿菌屬、藍細菌門、念珠藻目、念珠藻科、魚腥藻屬在長刺蒺藜草處理中顯著富集(LDA 閾值 4)。

　　2.8 根際土壤微生物和固氮微生物群落相關性 Heatmap 圖分析

　　微生物群落中，鞘氨醇單胞菌屬與水溶性氮負相關，硝化螺旋菌屬與硝態氮正相關;固氮菌群落中，阿菲波菌屬與全氮負相關，魚腥藻、固氮菌與全氮正相關，芽孢桿菌、魚腥藻與硝態氮正相關。

　　3 討論

　　入侵植物可通過改變土壤微生態促進入侵，如美洲商陸、互花米草等案例。本研究發現，長刺蒺藜草入侵提高了土壤全氮和硝態氮含量，降低水溶性氮和銨態氮含量，其根際細菌及固氮菌群落與伴生植物差異顯著，與冰草、狗尾草相似性較高。

　　變形菌門、放線菌門、酸桿菌門等可能是長刺蒺藜草氮素利用的主要細菌群落，硝化螺旋菌屬與硝態氮正相關，對氮素利用影響大。固氮菌中，芽孢桿菌、藍藻、念珠藻、魚腥藻顯著富集，可能起重要作用。長刺蒺藜草通過改變土壤環境、根系分泌固氮酶等機制適應貧瘠生境，本研究為其入侵的生態學機理提供了理論基礎。

馬 濤;宋 振;付衛東;張 岳;王忠輝;袁至立;王 伊;張國良,中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所,202401