黄顶菊次生代谢产物紫云英苷在土壤中的环境行为

来源 :中国农业科学院 | 被引量 : 2次 | 上传用户:fulingshu
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入侵植物黄顶菊[Flaveria bidentis(L.)Kuntze]自2001年入侵我国以来,对自然生态系统及农业生产造成了严重危害。紫云英苷是黄顶菊植株体内含量较高的黄酮类次生代谢物质,也是一些植物的化感物质,但其被释放到土壤后,在土壤中的迁移、降解、吸附-解吸附及累积等环境行为尚不清楚,本文研究了紫云英苷在不同土壤中的环境行为,并以潮土为例,通过土壤酶活性测定与高通量测序技术,揭示了黄顶菊次生代谢物紫云英苷对土壤中细菌多样性的影响及其降解机制,本研究可为深入解析黄顶菊入侵机理提供理论依据。主要研究结果如下:(1)揭示了黄顶菊入侵后对植物群落多样性及根际土壤细菌多样性的影响机制。黄顶菊入侵河堤和荒地2种生境后的群落组成逐渐单一化,地上植被均以黄顶菊最为丰富,频度达100%;土壤中黄顶菊种子库储量丰富,在2个生境中分别可达12527 ind.·m-2和13947 ind.·m-2,且大于50%的黄顶菊种子分布在土壤上层(0-2cm)。利用高通量测序技术发现,黄顶菊入侵降低了放线菌门(Actinobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)细菌的相对丰度,提高了变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)及芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)细菌的相对丰度,黄顶菊根际土壤细菌群落的变化可能与其植株体内黄酮类次生代谢物质有关。在土壤中添加黄顶菊次生代谢物质紫云英苷分析测试也表明,紫云英苷降低了放线菌门细菌的丰度,提高了变形菌门细菌的丰度,与黄顶菊入侵后根际土壤细菌群落结构变化相比,紫云英苷可能作为黄顶菊改变放线菌门、变形菌门及厚壁菌门细菌群落丰度的一个信号分子物质,在黄顶菊入侵过程中起到一定的作用。(2)建立了土壤样品中紫云英苷的提取、检测方法。利用固相萃取-高效液相色谱法,创建了土壤中紫云英苷的检测方法,明确了土壤中紫云英苷变化动态。当2%EDTA/甲醇(v:v)为1:1时,提取土壤中紫云英苷的回收率最高,紫云英苷的平均回收率在72.1%-80.4%,标准偏差在0.37%-3.42%,该方法操作简单,定量准确,可用于土壤中紫云英苷的大量、快速提取检测。(3)阐明了紫云英苷在土壤中的迁移、降解、吸附-解吸附等环境行为。紫云英苷在不同土壤中的迁移值Rf为0.14-0.51,呈现弱至中等移动特性。影响紫云英苷在土壤中的迁移的主要因素为土壤粘粒组成、土壤中金属离子含量、阳离子交换量等;紫云英苷在不同土壤中的降解符合一级动力学方程,降解半衰期(t1/2)为2.68-18.55 h,在灭菌潮土中的半衰期为111.8 h。影响紫云英苷在土壤中的降解的主要因素为土壤微生物、有机质含量、全N和全K等;土壤脱氢酶、土壤多酚氧化酶和土壤β-葡萄糖苷酶在紫云英苷半衰期前后均有不同程度的升高,可能参与了紫云英苷的降解过程;通过批量平衡法研究了紫云英苷在土壤中的吸附-解吸附动力学和等温吸附-解吸附行为,研究发现:紫云英苷在5种土壤中的吸附可分为瞬间快速吸附和慢速吸附2个过程,吸附率分别为红壤(83.3%)>潮土(63.8%)>风沙土(38.9%)>碱土(33%)>紫色土(28.5%)。利用Freundlich等温方程可较好的描述紫云英苷的等温吸附-解吸附过程,Kdads分别为红壤(3.4977)>潮土(1.6047)>碱土(1.4034)>风沙土(1.2278)>紫色土(0.4418),解吸附难度依次为红壤>潮土>碱土>风沙土>紫色土。紫云英苷在土壤中的吸附-解吸附机制非常复杂,与有机质、pH呈负相关,与金属含量和CEC等呈正相关,但相关性较差。(4)明确了紫云英苷在黄顶菊植株及土壤中的累积效应。自然生长的黄顶菊植株与土壤中的紫云英苷含量变化规律类似,从苗期开始递增,至开花期时增至最大值,然后降低,且黄顶菊根系及种子中含有一定量的紫云英苷。室内种植黄顶菊土壤中紫云英苷含量的变化规律与自然土壤变化规律基本一致,且第2生长季中土壤中紫云英苷含量较第1生长季含量有明显累积效应,而不同生长季的黄顶菊植株中的紫云英苷含量变化情况不明显。黄顶菊受到PEG-6000与UV-B胁迫处理后,黄顶菊叶中紫云英苷及其前体物质山奈酚含量均呈现不同程度的累积,且FLS表达量也随之上调,在胁迫消除后,这种累积也随之降低至对照水平。将紫云英苷在土壤中的半衰期(t1/2)、迁移值(Rf-L、Rf-H)、吸附-解吸附常数(Kddes、Kdads)与土壤理化指标相结合进行冗余分析(RDA),结果表明,有机质和pH是影响紫云英苷在土壤中累积的主要因素,土壤粒径组成与金属离子含量是影响紫云英苷在土壤中的累积的次要因素。
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