金针虫添加对冬小麦根际土壤线虫群落的影响_牛新利.pdf

第 卷 第期河南大学学报（自然科学版）年月 （）金针虫添加对冬小麦根际土壤线虫群落的影响牛新利，赵 晨，赵 薇，杜梦君，张 茜，刘一博，谷艳芳（河南大学 生命科学学院，河南 开封 ）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；大学生创新创业训练计划项目（）作者简介：牛新利（），女，河南安阳人，讲师，博士 研究方向：群落生态学通信作者，：摘要：通过室内盆栽实验研究沟金针虫（）处理下冬小麦（）根际土壤线虫群落的变化结果显示，添加金针虫显著增加了冬小麦根际土壤线虫的总属丰富度、总土壤线虫的丰富度以及食细菌类和食真菌类线虫的丰富度，原因主要是金针虫添加提高了冬小麦根际土壤有机碳含量以及冬小麦苗和根中的类黄酮含量 主成分分析（）结果表明，添加金针虫可以改变冬小麦根际土壤线虫群落的组成 冗余分析（）证实冬小麦苗和根中的类黄酮含量、土壤有机碳含量分别解释土壤线虫群落变异的 、和 上述结果表明，金针虫添加通过间接作用影响冬小麦根际土壤线虫群落，即通过增加冬小麦苗和根中的类黄酮含量对根际土壤线虫的丰富度和多样性产生影响关键词：金针虫；冬小麦；土壤线虫；类黄酮；群落结构；群落生态多样性指数中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；引言土壤线虫在地下生态系统中起着多重作用，占有多个营养级包括食细菌、食真菌、植食者以及捕食杂食者，矿化氮并分解土壤食物网中的有机物土壤线虫是理想的环境指示生物，对土壤中的扰动反映敏感DOI:10.15991/ki.411100.2023.02.009牛新利，等：金针虫添加对冬小麦根际土壤线虫群落的影响 根际是一个重要的环境界面，是植物与环境之间物质能量交换的场所根际一般指距细根表面以内的土壤环境，是受根系活动影响最直接，植物、土壤和微生物关系最复杂的区域 食根昆虫是生活在土壤中以植物根为食的昆虫 研究表明，食根昆虫可诱导根中产生较高水平的次生代谢产物，如酚类、黄酮类、生物碱和有机酸等，而这些次生代谢产物的含量变化会影响根际生物的组成 等发现，食根昆虫幼虫欧洲大蚊（）通过改变根部次生化学物质进而改变微生物群落结构 食根昆虫金针虫幼虫叩头虫（）可以提高总土壤线虫的丰富度和食根线虫根结线虫（）的丰富度目前，有关食根昆虫的研究主要集中在其对地上植物生长、草食动物种群动态 以及对地上多营养级关系的影响机制方面，对地下生物群落的研究主要集中在其可以增加根际碳渗出进而改变土壤微生物群落组成等方面，而食根昆虫对根际土壤线虫群落结构的影响以及相互作用的机制知之甚少食根昆虫沟金针虫（）是鞘翅目叩甲科叩头虫的幼虫，是一种重要的土壤栖居型害虫，可危害多种农作物的地下部分 它们常见于世界各地的可耕土壤中，种类繁多，除了直接损害或杀死农作物外，还会为其他损害农作物的植物病原体如真菌创造生存环境，从而间接损害植物生长 类黄酮是一种根系分泌物中的酚类化合物，通过植物根系释放到根际，可以保护植物免受病虫害、调节根系生长和功能 以及影响营养循环等 通常情况下，叩头虫幼虫阶段持续时间较长，取食植物根系时，根系次生代谢产物类黄酮含量会发生变化，是否类黄酮含量变化会影响植物根际的土壤线虫群落丰富度、组成和结构目前尚不清楚在本研究中，作者进行如下假设：（）金针虫添加可能会增加总土壤线虫及各营养级土壤线虫的丰富度，改变土壤线虫群落组成；（）金针虫添加可能通过改变植物次生代谢产物 类黄酮含量影响土壤线虫群落的结构实验材料和方法实验土壤实验土壤采集于开封市河南大学金明校区的实验田耕作层（土壤深度 ），土壤类型为砂壤土土壤混匀后过 筛，手工去除大型土壤动物如蚯蚓（）和蜘蛛（）等 实验前土壤的理化性质为总碳含量（），总氮含量（），有机碳含量（），为 取部分土壤采用 不锈钢立式灭菌器于 条件下灭菌，室温冷却后，相同条件下对土壤再次进行灭菌实验小麦及其种植培养冬小麦周麦（）种子由河南大学植物遗传资源和遗传工程实验室提供 小麦种子于次氯酸钠溶液中灭菌 ，后采用蒸馏水冲洗次 在无菌培养皿中放置一张湿滤纸，将种子铺在滤纸上并放于（光照黑暗周期为 ，相对湿度）光照培养箱中培养，待种子发芽后继续培养，将具有片子叶的冬小麦芽移栽到盆栽土壤中，于 、相对湿度为 的环境下继续生长实验昆虫及其培养选取沟金针虫（）作为实验昆虫，其隶属于鞘翅目（）叩甲科（），由洛阳市农业科学院提供 实验前，将所有金针虫幼虫喂养在装有灭菌实验土壤的无菌长方体塑料箱中（），塑料箱底面均匀分布有个小孔（直径）金针虫幼虫的食物是冬小麦幼苗根，冬小麦幼苗是先于盆栽实验前周萌发，并水培在光照培养箱中，培养条件同部分实验设计盆栽实验开始于 年 月日，实验包括个处理，即实验组（添加金针虫）和对照组，每个处理 个重复 将 盆（花盆高 ，直径为 ）装有 均匀混合的过筛风干田间土壤的花盆随机放置在实验台架上，于光照时间（）、黑暗时间（），相对湿度为 的温室中生长，同时采用 的荧光灯补充自然光照 采用称重法进行浇水，每周浇水次，土壤湿度保持在 个花盆每周随机调换位置，以防产生实验差异 将具有片子叶的冬小麦苗种植在实验盆中，每盆栽种棵，周后，拔掉棵，留取长势较好的棵 将 头平均鲜重为（）的金针虫放入实验组 个花盆的土壤表面，每盆添加头，然后浇水，使金针虫向土壤深层转移 河南大学学报（自然科学版），年，第 卷第期金针虫生物量和冬小麦中类黄酮含量的测定冬小麦生长周后，收获其地上（苗）和地下（根）部分，于 烘干 后分别测定苗和根的生物量 采用球磨仪将冬小麦的苗和根磨碎，利用紫外分光光度计（）方法测定苗和根中类黄酮含量 同时检查盆栽土壤中金针虫的数量，清水冲洗后，吸水纸吸干水分，称重金针虫的生物量土壤线虫的提取及其分类挖取具有完整根系的土体，先轻轻抖落大块不含根系的土壤，然后用力将根表面附着的土壤全部抖落下来，获得根际土壤 将根际土壤分两部分保存，一部分（）用于测量土壤理化特性，另一部分（，其中土壤线虫提取为，土壤含水量测定为）用于提取土壤线虫 提取土壤线虫和测定土壤含水量在周内完成 根际土壤采用改良的贝尔曼漏斗法提取线虫，提取过后的线虫采用 溶液（甲醛，三乙醇胺和 蒸馏水）固定，保存于冰箱中 用于测定土壤含水量，烘干，计算出土壤含水量，根据土壤含水量换算出 干土中的线虫数量线虫丰富度以每 干重土壤中的个体数进行计数，使用光学显微镜（，）对随机抽取的 条线虫鉴定到属水平总数不超过 条的全部进行鉴定 根据线虫的头部形态特征和取食生境，将土壤线虫划分为个营养组：植食类（）、食细菌类（）、食真菌类（）和捕食杂食类（）根据线虫不同的生活史策略，将线虫划分为个类群，并将它们赋予不同的（）值 中的线虫世代持续时间短，繁殖力高，被认为是“机会主义者”且能容忍干扰，生存策略为对策相比之下，线虫产卵量少，寿命长，通常不耐干扰并栖息在稳定、成熟的生态系统中 土壤线虫群落多样性指标分析土壤线虫群落指标：（）物种丰富度（）；（）香农维纳多样性指数（），其中，为各营养类群在线虫群落中所占的比例；（）均匀度指数（）；（）辛普森优势度指数（）；（）改进的总成熟度指数（）；（）植物寄生线虫的成熟度指数（），统计分析实验结束后，排除掉盆中金针虫数量少于头的处理，金针虫添加有效处理为盆为保证数据方差分析的重复数相等，选择盆对照处理进行数据分析为保证数据统计分析的正态性，对线虫丰富度进行（）转换多元方差分析用来分析对照和添加金针虫处理对土壤线虫的丰富度和群落多样性指标的影响 分析用来检验添加金针虫是否影响土壤线虫群落的组成；分析用来检验土壤理化性质和冬小麦生物量、冬小麦苗和根中类黄酮含量对土壤线虫群落的影响结果与分析金针虫对土壤理化性质的影响与对照组相比，金针虫添加增加冬小麦根际土壤总碳（）、总氮（）和土壤有机碳（）的含量，但减少土壤（）的含量（表）表对照组和实验组中土壤理化性质 组别总碳含量（）总氮含量（）土壤有机碳含量（）对照组 实验组 注：土壤总碳含量总氮含量，独立样本检验，不同小写字母、代表处理之间差异显著金针虫对冬小麦不同部位生物量和类黄酮含量的影响实验结束时，实验组中有个花盆仅收获头金针虫，另头死亡，个花盆中头金针虫全部死亡，排除上述个花盆中的金针虫，故本次实验共收获 头金针虫，平均鲜重为（）与对照组相比，金针虫添加使冬小麦根的生物量减少了 （图，表），但不影响冬小麦苗和总的生物量（图，表）相较于对照处理，添加金针虫显著增加了冬小麦苗和根中的类黄酮含量，分别增加了 倍和 倍（图，表）牛新利，等：金针虫添加对冬小麦根际土壤线虫群落的影响 不同小写字母、代表处理之间差异显著，下同图金针虫对冬小麦苗（）、根（）以及总生物量（）的影响 （），（）（）表对照组和实验组中冬小麦各项指标的多元方差分析结果 冬小麦指标 苗生物量 根生物量 总生物量 苗类黄酮含量 根类黄酮含量 图金针虫对冬小麦苗（）和根（）中类黄酮含量的影响 （）（）金针虫对冬小麦根际土壤中线虫丰富度的影响与对照组相比，添加金针虫使冬小麦根际土壤线虫总属的丰富度增加了 （图，表），根际总土壤线虫丰富度增加了 倍（图，表）其中，食细菌类线虫丰富度增加了 倍（图，表），食真菌类线虫丰富度增加了 倍（图，表），而植食类（图）和杂食捕食类土壤线虫的丰富度（图，表）变化不大图金针虫对冬小麦根际土壤中不同营养类群线虫丰富度的影响 河南大学学报（自然科学版），年，第 卷第期表对照组和实验组中不同营养类群土壤线虫丰富度的多元方差分析 指标 土壤线虫总属丰富度 总土壤线虫丰富度 食细菌类线虫丰富度 食真菌类线虫丰富度 植食类线虫丰富度 杂食捕食类线虫丰富度 注：对自变量的多次比较会造成一类偶然因素导致差别的错误概率增加，用显著性水平除以自变量的水平 来检验显著性，因此金针虫添加对植食类土壤线虫丰富度影响不显著土壤线虫群落组成与对照组中的 个属相比，添加金针虫显著增加了冬小麦根际土壤中线虫总类群数（个属）（，）（表）添加金针虫处理后，食细菌类线虫中的头叶属和小杆属是优势属，而真头叶属、拟丽突属和板唇属及食真菌类线虫中的真滑刃属、滑刃属和垫咽属，植食类线虫中的头垫刃属、垫刃属、螺旋属、盘旋属和裸矛属，杂捕类线虫中的孔咽属、拱唇属和盘咽属是常见属（表）而对照组中，食细菌类线虫中的头叶属、明杆属、小杆属和杂捕类线虫中的孔咽属、拱唇属是优势属；食细菌类线虫中的真头叶属、板唇属和钩唇属，食真菌类线虫中的真滑刃属和滑刃属，植食类线虫中的头垫刃属、短体属、螺旋属、盘旋属和矮化属是常见属添加金针虫增加了冬小麦根际土壤线虫中的稀有属类群（表）表金针虫添加和对照处理下冬小麦根际土壤线虫各个属相对丰富度 线虫营养类群属 值 食细菌类头叶属 真头叶属 拟丽突属 板唇属 鹿角唇属 丽突属 明杆属 哈利头叶属 原杆属 广杆属 棱咽属 小杆属 绕线属 柄端球属 盆咽属 双胃属 似绕线属 板环属 钩唇属 食真菌类真滑刃属 滑刃属 垫咽属 植食类头垫刃属 牛新利，等：金针虫添加对冬小麦根际土壤线虫群落的影响 续表线虫营养类群属 值 垫刃属 短体属 螺旋属 盘旋属 矮化属 长针属 裸矛属 刺属 潜根属 针属 拟毛刺属 鞘属 盾线属 剑属 伪垫刃属 杂食捕食类孔咽属 拱唇属 穿咽属 盘咽属 缢咽属 三孔属 矛线属 中矛属 大矛属 真矛属 拟桑尼属 单齿属 注：土壤线虫属丰富度占总土壤线虫丰富度 以上为优势属；为常见属；以下为稀有属土壤线虫群落生态多样性指数相比较于对照处理，添加金针虫使冬小麦根际土壤线虫群落的香农维纳多样性指数 增加了 （图，表），物种丰富度指数 增加了 （图，表），但对均匀度指数（图，表）、优势度指数（图，表）、总成熟度指数（图，表）和植物寄生线虫成熟度指数 （图，表）没有显著影响图金针虫对冬小麦根际土壤线虫群落生态多样性指数的影响 河南大学学报（自然科学版），年，第 卷第期表对照组和实验组中冬小麦根际土壤线虫群落生态指数多元方差分析结果 多样性指数 注：对自变量的多次比较会造成一类偶然因素导致差别的错误概率增加，用显著性水平除以自变量的水平 来检验显著性，因此金针虫添加对土壤线虫的优势集中性指数和总成熟度指数 影响不显著土壤有机碳含量、冬小麦类黄酮含量和土壤线虫丰富度相关性分析相关分析结果表明：土壤有机碳含量与土壤线虫总属丰富度（图）、总土壤线虫丰富度（图）、食细菌类线虫丰富度（图）和食真菌类线虫丰富度（图）成显著积极正相关；冬小麦苗中类黄酮含量与土壤线虫总属丰富度（图）、总土壤线虫丰富度（图）、食细菌类线虫丰富度（图）和食真菌类线虫丰富度（图）成显著积极正相关；冬小麦根中类黄酮含量与土壤线虫总属丰富度（图）、总土壤线虫丰富度（图）和食细菌类线虫丰富度（图）成积极正相关图土壤有机碳含量、冬小麦苗和根中类黄酮含量和冬小麦根际土壤线虫总属丰富度（，）、总土壤线虫丰富度（，）、食细菌线虫丰富度（，）、食真菌线虫丰富度（，）之间相关性分析 ，（，），（，），（，），（，）牛新利，等：金针虫添加对冬小麦根际土壤线虫群落的影响 土壤理化性质和冬小麦生物量对土壤线虫群落组成的影响 分析结果表明，添加金针虫后，冬小麦根际土壤线虫群落组成明显不同，图的第一轴和第二轴分别解释了 和 的土壤线虫群落的变异（图）分析结果表明，第一轴和第二轴分别解释 （，）和（，）的土壤线虫群落的变异 添加金针虫处理下，冬小麦的苗和根中类黄酮含量显著影响土壤线虫群落，分别解释了土壤线虫群落变化的 和 的变异 同时土壤有机碳和总氮含量分别解释 和 的土壤线虫群落的变化，冬小麦苗生物量解释 土壤线虫群落的变化（图），土壤有机碳；，土壤总碳；，土壤总氮；，土壤有机碳土壤总氮；，冬小麦根生物量；，冬小麦苗生物量；，冬小麦苗类黄酮含量；，冬小麦根类黄酮含量图对照和添加金针虫处理下冬小麦根际土壤线虫群落的 分析（）和 分析（）（）（）（）（）讨论添加金针虫对冬小麦生物量和冬小麦类黄酮含量的影响金针虫添加减少了冬小麦根的生物量，一方面是金针虫直接取食根或钻蛀根影响根的生长发育导致根生物量的减少，如欧洲鳃金龟（）幼虫取食欧洲赤松（）、欧洲云杉（）和垂枝桦（.），可使其根生物量减少 ；金针虫取食可减少杂草拂子茅（）的根状茎，潜在减慢杂草的扩散生长 另一方面可能是金针虫取食降低寄主植物的水分吸收，从而减少了根系生物量 由于金针虫的取食，华北地区的冬小麦产量损失可高达 金针虫添加对冬小麦苗和总生物量无显著性影响，主要原因是苗生物量表现出补偿性生长 添加金针虫显著增加冬小麦苗和根中类黄酮含量，主要是由于金针虫的取食导致植物产生抗逆反应，植物通过产生更多的次生代谢物来最大程度减少食根昆虫的取食添加金针虫对土壤线虫丰富度和多样性指数的影响添加金针虫显著增加根际土壤线虫总丰富度，原因是地下草食动物取食植物根系，导致植物防御和根系渗出（直接途径），从而刺激微生物活性和矿化过程 ，进一步增加微生物的数量，而土壤线虫以微生物为食物，因此总土壤线虫丰富度增加，说明总土壤线虫丰富度的增加主要与食物资源的有效性增加相关 另外添加金针虫可增加冬小麦苗和根中的类黄酮化合物含量，而类黄酮含量直接影响分解者群落的组成和活性，进一步增加土壤有机碳的含量 相关分析结果表明，土壤有机碳含量、冬小麦苗和根中类黄酮含量积极影响总土壤线虫丰富度 如先前研究发现，金针虫添加能刺激食根线虫的丰富度 对于食细菌线虫，因为金针虫以冬小麦的根为食，而冬小麦根系分泌次生代谢产物类黄酮，类黄酮类化合物作为根瘤菌的特异性化学吸引剂，一旦进入根际，许多细菌可能会响应类黄酮（例如槲皮素或植物释放的其他类黄酮分子）对生长的 河南大学学报（自然科学版），年，第 卷第期刺激而迅速繁殖，促进食细菌线虫丰富度的增加如 等 报道细菌和食细菌线虫丰富度之间的强相关关系 先前研究证实，在土豆（）和大豆（）植物中，类黄酮含量负面影响植食线虫马铃薯金线虫（）和南方根结线虫（）卵的孵化率 本文研究结果表明，添加金针虫不影响植食性线虫的丰富度，原因可能是种植冬小麦土壤的异质性以及冬小麦根系分泌物类黄酮时效性的不同 添加金针虫不影响土壤线虫群落的均匀度指数，但增加土壤线虫总属丰富度，因此增加土壤线虫群落的香农威纳多样性指数 金针虫添加促进根系分泌物类黄酮含量的增加，同时增加了土壤线虫食物资源，促进土壤线虫物种丰富度指数 的增加 分析表明金针虫添加改变土壤线虫群落的组成，分析结果表明土壤有机碳含量和冬小麦类黄酮含量都显著影响土壤线虫群落结构，说明添加金针虫在一定程度上改变土壤线虫的群落结构 更多的研究需要来探讨金针虫影响土壤线虫丰富度和群落结构的机制，为地下土壤生物金针虫土壤线虫之间的关系提供科学的理论基础结论通过室内盆栽实验研究金针虫添加对冬小麦根际土壤线虫群落组成和结构的影响，结果显示金针虫添加增加冬小麦根际土壤线虫总属丰富度，增加根际总土壤线虫、食细菌线虫和食真菌线虫丰富度，原因主要是由于金针虫取食增加根际土壤有机碳含量、冬小麦苗和根中的类黄酮含量同时金针虫添加增加土壤线虫群落的香农维纳多样性指数 和物种丰富度指数，主要是由于金针虫添加增加冬小麦根系分泌物进一步增加土壤线虫食物资源 分析结果表明金针虫添加改变土壤线虫群落的组成，分析证实土壤有机碳含量和冬小麦苗和根中类黄酮含量都影响土壤线虫群落结构参考文献：，（）：刘艳方，刘攀，王文颖，等 土壤线虫作为生态指示生物的研究进展 生态科学，（）：，（）：赵一，杨贝贝，朱新萍，等氮肥减施与配施有机肥对冬小麦土壤线虫群落结构的影响应用生态学报，（）：，（）：赵琼，曾德惠，于占源，等 沙地樟子松人工林土壤磷素转化的根际效应 应用生态学报，（）：，（）：，：，：，：，（）：，（）：，（）：，牛新利，等：金针虫添加对冬小麦根际土壤线虫群落的影响 ，（）：，：，：，：，：，（）：，：，：谷艳芳，张莉，丁圣彦，等 长期施肥对麦田大型土壤动物群落结构的影响 生态学报，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（），：，（）：，（）：，（）：，：宋敏，尹乐琳，刘佳慧，等施肥对黄淮海平原冬小麦样地土壤线虫群落组成及多样性的影响河南大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，（）：，：，：，河南大学学报（自然科学版），年，第 卷第期 ，（）：，：，（）：责任编辑：康燕丽