不同營養條件對鳳眼藍生長及根際微生物群落的影響

劉芳宇, 孫林鶴, 常雅軍, 劉吉祥, 劉曉靜, 徐迎春, 姚東瑞,①

〔1. 南京農業大學園藝學院, 江蘇 南京 210095; 2. 江蘇省中國科學院植物研究所(南京中山植物園):a. 江蘇省水生植物資源與水環境修復工程研究中心, b. 江蘇省植物資源研究與利用重點實驗室, 江蘇 南京 210014〕

鳳眼藍〔Eichhorniacrassipes(Mart.) Solms〕,又名鳳眼蓮、水葫蘆、水浮蓮,是雨久花科(Pontederiaceae)鳳眼藍屬(EichhorniaKunth)多年生浮水植物,為全球著名的入侵植物之一[1],[2]9,自引種以來入侵中國南方各地水域,對水體水質、航道及生物多樣性造成了嚴重危害。過度繁殖的鳳眼藍往往會形成極為密集的群落覆蓋水面,消耗水體中溶解氧,隔絕水體與外界的氣體交換,使水質惡化;同時會淤塞航道,阻礙船只通行;鳳眼藍漂浮在水面與原生種競爭光源、O2和養分,壓縮原生種自然生長空間,降低水體生物多樣性[1]。

鳳眼藍能夠在世界各地淡水水體中成功定殖、建立種群并擴散[3-4],主要是由于該物種具有強大的繁殖能力、寬生態幅以及高表型可塑性等入侵特性[2]104-105,[5]。鳳眼藍既可以進行有性繁殖,又可以進行無性繁殖[1]。在入侵過程中,鳳眼藍原有的三型花柱繁育系統由于奠基者效應而解體[2]99,旺盛的營養繁殖成為鳳眼藍快速增殖并爆發的生物學特性基礎。水體富營養化是中國水環境面臨的嚴峻問題之一[6],而鳳眼藍能夠利用富營養化水體中的營養元素[7-11]。諸多研究結果表明:水體中氮、磷含量是限制鳳眼藍生長和繁殖的重要因子,甚至超過掠食者對其影響[10];水體中充足的氮、磷元素能夠使鳳眼藍存活越冬[11]、快速生長及分株[12],[13]12,在一定濃度范圍下,鳳眼藍的凈生長量與水體中氮、磷含量呈正比[14-15]。

水生植物與根際微生物間的互作對植物生長有重要的影響。水生植物根系能夠為微生物提供棲息地,并能夠通過分泌代謝物、改變微環境進而改變根際微生物的群落結構[16],而富集于植物根際的微生物也能夠從多個方面促進植物生長[17]。例如:相較于粳稻(Oryzasativasubsp.japonicaKato),秈稻(Oryzasativasubsp.indicaKato)根系富集氮代謝相關細菌的能力更強,這些氮代謝相關細菌能夠增加秈稻對土壤中氮的利用效率[18]。植物根系為叢枝菌根真菌提供棲息地和必要的營養物質,而叢枝菌根真菌能促進難溶磷酸鹽溶解,進而增強植物對磷的利用[17]。水生植物也能夠通過影響根際微生物群落結構進而影響水體中氮、磷等營養元素的去除效率[16]。此外,根際微生物還有分泌促進植物生長的代謝物以及抑制植物病原菌生長和繁殖等功能[19-20]。一些研究證實鳳眼藍能夠影響水體中微生物的群落構成,促進鳳眼藍對水體中氮、磷元素的利用[21-22]。目前,水體缺乏氮、磷對抑制鳳眼藍生長的影響尚未有系統報道,其機制還有待深入研究。

本文通過設計不同的缺素實驗組,與全營養對照組進行比較,分析鳳眼藍形態、光合作用、抗氧化系統、氮含量、磷含量及根際微生物群落對不同營養條件的響應,并探討水體中氮、磷含量對鳳眼藍生長和繁殖的影響,以期闡釋影響鳳眼藍快速生長的關鍵因子,為治理鳳眼藍爆發提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 材料

供試鳳眼藍于2022年12月5日采自成都新津地區(東經103°57′05.57″、北緯30°51′06.99″),2022年12月8日種植于江蘇省中國科學院植物研究所溫室(東經118°50′14.72″、北緯32°03′22.15″),選取無病害、具6或7枚葉片、無匍匐莖、生物量接近的鳳眼藍進行實驗。

1.2 方法

1.2.1 實驗設計 使用長46 cm、寬36 cm、高14 cm的塑料盆,分別加入純水配置全營養(NP)、缺氮(QN)和缺磷(QP)3種改良Hoagland營養液(北京酷來搏科技有限公司)各10 L,以NP為對照,各處理組營養液的組成見表1。每個處理組設置3個生物學重復,共9盆,每盆3株鳳眼藍。于室溫(25±1) ℃、光照度5 000 lx、光照時間14 h·d-1的培養室中進行實驗;實驗自2023年3月15日開始,至4月26日結束,共42 d,培養期間及時去除枯葉、腐根,于實驗中期(處理21 d)更換1次營養液。

表1 不同處理組改良Hoagland’s營養液的組成

1.2.2 指標測定

1.2.2.1 生長指標測量 實驗開始后每6 d進行1次生長指標測量。統計每株鳳眼藍的葉數和分株數。

將鳳眼藍懸空瀝干水分,使用百分之一電子天平稱量每株鳳眼藍的鮮質量;使用直尺(精度1 mm)測量每株鳳眼藍的主根長(短縮莖至主根根尖的距離)、株高(短縮莖至葉片最高處的距離)、匍匐莖總長(匍匐莖發生處到新分株結合處的基段長度之和);各處理隨機從3株的莖尖外圍第3至第5枚葉片中選取3枚成熟新葉片,使用直尺測量葉寬(葉片最寬處的寬度)和葉長(葉柄與葉片結合處至葉片頂端的距離)。于實驗結束后,使用百分之一電子天平稱量每株鳳眼藍的根部和冠部鮮質量,并計算根冠比(根部鮮質量與冠部鮮質量的比值);使用佳能EOS M6相機(日本Cannon公司)對鳳眼藍植株進行拍照。

1.2.2.2 葉綠素相對含量測定 實驗開始后使用SPAD-502Plus葉綠素檢測儀(日本Konica Minolta公司)每6 d測定1次葉綠素相對含量,各處理隨機從3株上選取10枚無病斑的成熟新葉片進行測定,結果以均值計。

1.2.2.3 部分光合參數測定 實驗開始后使用LI-6800型便攜式光合測定儀(美國LI-COR公司)每6 d的9:00至11:00測定1次光合參數,包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)和氣孔導度(Gs)。使用葉室面積為2 cm2,環境CO2濃度400 μmol·mol-1,溫度25 ℃,空氣相對濕度75%,光源為90%紅光,光合有效輻射1 500 μmol·m-2·s-1。各處理隨機從3株上選取10枚無病斑的成熟新葉片進行測定,結果以均值計。

1.2.2.4 抗氧化酶活性和丙二醛含量測定 實驗開始后每10 d的9:00取樣1次,各處理隨機從3株上選取2 g左右無病斑的成熟新葉片及成熟根,置于離心管,液氮速凍后于-80 ℃冰箱保存。使用過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)和丙二醛(MDA)4種ELISA試劑盒(江蘇晶美生物科技有限公司)測定抗氧化酶活性和MDA含量。

1.2.2.5 氮、磷含量測定 實驗結束后,各處理隨機從3株上選取1～2 g無病斑的成熟新葉片及成熟根,采用NY/T 2419—2013中的自動定氮儀法測定葉片和根中氮含量,采用NY/T 2421—2013中的鉬銻抗比色法測定葉片和根中磷含量。

1.2.2.6 根際微生物群落分析 實驗結束后,采用李淑英等[23]的方法收集鳳眼藍根際水樣1 L以上。使用定量濾紙過濾,收集的過濾液依次使用孔徑0.45和0.22 μm濾膜抽濾。收集孔徑0.22 μm濾膜,置于離心管,液氮速凍后交由北京諾禾致源科技股份有限公司進行16S擴增子測序。

1.3 數據統計和分析

除微生物數據外,使用SPSS 26.0軟件對各項指標進行單因素方差分析(one-way ANOVA)和多重比較(LSD法和Duncan’s法),使用WPS Office 11及Origin 2022軟件進行數據處理和圖表制作。使用QIIME 1.9.1軟件對16S擴增子測序獲得的序列進行注釋,獲得各樣本的OTU(operational taxonomic unit)。對OTU進行物種注釋,選取相對豐度前20的屬繪制熱圖,并進行Kruskal-Wallis秩和檢驗。采用鄧嬌嬌等[24]的方法計算OTU的Shannon-Wiener指數,進行α多樣性分析,并進行t-test檢驗;對β多樣性進行主成分分析。使用FAPROTAX 1.2.6軟件對OTU進行功能預測,選取相對豐度前20的功能類群繪制熱圖,并進行Kruskal-Wallis秩和檢驗;對固氮微生物類群的相對豐度進行Wilcoxon秩和檢驗。使用R 4.0.3軟件繪圖和分析。

2 結果和分析

2.1 不同營養條件對鳳眼藍生長的影響

全營養(NP)、缺氮(QN)和缺磷(QP)處理對鳳眼藍生長指標的影響見表2。結果顯示:與NP組相比,QN和QP組鮮質量在處理0～18 d無顯著差異,在處理24～42 d均顯著降低;但QN組與QP組間鮮質量在處理0～42 d均無顯著差異。QN和QP組處理42 d的鮮質量均低于處理0 d,而NP組處理42 d的鮮質量較處理0 d增加1倍以上。表明鳳眼藍在全營養的Hoagland營養液中生長旺盛,Hoagland營養液適于作為鳳眼藍正常生長對照組,缺氮和缺磷處理均能限制鳳眼藍生長。

表2 不同營養條件對鳳眼藍生長指標的影響

與NP組相比,QN組葉數在處理0～30 d無顯著差異,在處理36～42 d顯著減少;QP組葉數在處理0～18 d無顯著差異,在處理24～42 d顯著減少;QP組葉數在處理42 d顯著少于QN組。與NP組相比,QN和QP組分株數和匍匐莖總長在處理0～12 d均無顯著差異;在處理18～42 d均顯著降低,且隨處理時間延長,差異越大;而QN組與QP組間分株數和匍匐莖總長在處理0～42 d均無顯著差異。表明缺氮和缺磷處理18 d后能夠顯著抑制鳳眼藍匍匐莖發生,但缺氮處理與缺磷處理的效果差異不顯著;相較于缺氮處理,缺磷處理對鳳眼藍葉片發育的抑制作用更明顯。

除處理12 d的QP組株高顯著低于其余2組外,3組間主根長和株高在各時段均無顯著差異;在處理42 d,QP組主根長最長,NP組次之,QN組最短。表明相較于缺氮處理,缺磷處理更能促進鳳眼藍根部發育。

與NP組相比,QN和QP組葉長在處理0～42 d均無顯著差異,QP組葉長在處理42 d顯著低于QN組。與NP組相比,QN和QP組葉寬在處理0～12 d無顯著差異,在處理18～42 d顯著降低;QP組葉寬在處理36～42 d顯著低于QN組。表明缺氮和缺磷處理對鳳眼藍葉長的抑制效果不明顯,對葉寬的抑制效果明顯,且缺磷處理對葉寬的抑制效果強于缺氮處理。

從根部和冠部的質量分布(表3)看,處理42 d,QP組根部鮮質量顯著高于QN和NP組,QN組略高于NP組;NP組冠部鮮質量顯著高于QN和QP組,QN組略高于QP組;QP組根冠比(2.09)最高,QN組(1.37)次之,NP組(0.65)最低,且3組間差異顯著。表明鳳眼藍在缺氮和缺磷處理下根發育顯著強于葉發育,且缺磷處理的效果顯著強于缺氮處理。

表3 不同營養條件處理42 d的鳳眼藍根部和冠部的質量分布

從外觀形態(圖1)看,與NP組相比,處理42 d的QN和QP組鳳眼藍植株明顯矮小、分株數少、葉數少,匍匐莖短,且葉片出現明顯枯黃現象,其中QP組受抑制現象更為明顯。

NP: 全營養Total nutrient; QN: 缺氮Nitrogen deficiency; QP: 缺磷Phosphorus deficiency.

總體上看,缺氮和缺磷處理對鳳眼藍主根長、株高和葉寬的抑制效果不明顯,但在處理后期能顯著抑制鳳眼藍鮮質量、葉數、葉寬、分株數和匍匐總生長,其中,缺氮處理與缺磷處理對鳳眼藍鮮質量、分株數和匍匐莖總長的抑制效果差異不顯著,但缺磷處理對鳳眼藍葉發育的抑制效果以及對根發育的促進效果顯著強于缺氮處理。

2.2 不同營養條件對鳳眼藍光合作用的影響

全營養(NP)、缺氮(QN)和缺磷(QP)處理對鳳眼藍葉片光合作用指標的影響見表4。

表4 不同營養條件對鳳眼藍葉片光合作用指標的影響

2.2.1 對葉片葉綠素相對含量的影響 結果(表4)顯示:與NP組相比,QN組葉片葉綠素相對含量在處理0～6 d 無顯著差異,在處理12～42 d均顯著降低;QP組葉片葉綠素相對含量在處理0 d及18～36 d無顯著差異,在處理6～12 d顯著升高,在處理42 d顯著降低。表明相較于缺磷處理,缺氮處理對鳳眼藍葉片葉綠素合成的抑制作用更明顯。

2.2.2 對葉片光合參數的影響 結果(表4)顯示:除處理42 d外,其余時段NP組葉片蒸騰速率均高于QN和QP組;處理12～24 d的QN組葉片蒸騰速率與NP組差異顯著,其余時段差異均不顯著;處理0～42 d的QP組葉片蒸騰速率與NP組差異總體不顯著。表明缺氮和缺磷處理對鳳眼藍葉片蒸騰速率的影響不明顯,各營養條件下鳳眼藍均能維持較正常的蒸騰速率。

與NP組相比,QN和QP組葉片凈光合速率在處理0～12 d均無顯著差異,在處理18～42 d均顯著降低;除處理6和42 d外,其余時段NP組葉片凈光合速率最高,QP組次之,QN組最低。表明缺氮和缺磷處理12 d后能夠顯著抑制鳳眼藍葉片凈光合速率,且缺氮處理的抑制效果明顯強于缺磷處理。

與NP組相比,處理12～42 d的QN和QP組葉片氣孔導度均降低,其中,處理12～30 d的QN和QP組葉片氣孔導度顯著降低,但QN組與QP組間差異不顯著。表明缺氮和缺磷處理會降低鳳眼藍葉片的氣孔導度,但缺磷處理與缺氮處理的效果差異不顯著。

總體上看,缺氮和缺磷處理對鳳眼藍葉片蒸騰速率的影響不明顯,但在處理中后期能顯著抑制鳳眼藍葉片的凈光合速率和氣孔導度,且缺氮的抑制效果更強;缺氮處理中后期可顯著抑制葉片葉綠素的積累。因此,缺氮處理對鳳眼藍葉片光合作用的抑制效果強于缺磷處理。

2.3 不同營養條件對鳳眼藍抗氧化酶活性和丙二醛含量的影響

全營養(NP)、缺氮(QN)和缺磷(QP)處理對鳳眼藍葉片和根中過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)活性及丙二醛(MDA)含量的影響見表5。結果顯示:QP組葉片中3種酶活性及MDA含量隨處理時間延長呈波動升高的趨勢,在處理10～40 d均高于NP和QN組,在處理40 d與NP和QN組總體差異顯著?？傮w上看,各處理組根中POD和SOD活性及MDA含量總體無顯著差異,CAT活性僅在處理20～30 d存在顯著差異。表明缺磷處理會使鳳眼藍葉片中抗氧化酶活性和丙二醛含量明顯上升,且促進效果隨處理時間延長而增強,而根中抗氧化酶活性和丙二醛含量無明顯變化;缺氮處理對葉片和根中3種酶活性和丙二醛含量均無明顯影響。

表5 不同營養條件對鳳眼藍葉片和根中抗氧化酶活性和丙二醛含量的影響

2.4 不同營養條件對鳳眼藍氮、磷含量影響

全營養(NP)、缺氮(QN)和缺磷(QP)處理42 d的鳳眼藍葉片和根中氮、磷含量的變化見表6。結果顯示:處理42 d,QN和QP組葉片中氮含量均低于NP組,僅QN組與NP組間差異顯著,降幅為54.14%;NP組根中氮含量顯著低于QP組,但顯著高于QN組,QN組相較于NP組的降幅為36.89%。處理42 d,QN和QP組葉片中磷含量均顯著低于NP組,其中QP組還顯著低于QN組,QP組相較于NP組的降幅為85.84%;NP和QN組根中磷含量均顯著高于QP組,QN組與NP組間無顯著差異,QP組相較于NP組的降幅為93.77%?？傮w上看,缺氮和缺磷處理會導致鳳眼藍葉片中氮、磷含量降低;在根中,缺磷處理會導致氮含量升高,缺氮處理會導致磷含量升高。

表6 不同營養條件處理42 d的鳳眼藍葉片和根中氮、磷含量的變化

上述結果表明:缺氮處理下鳳眼藍體內難以維持較高水平的氮含量,缺磷處理下植物體內難以維持較高水平的磷含量,但缺氮處理下植物體內氮含量的降幅明顯低于缺磷處理下磷含量的降幅。

2.5 不同營養條件對鳳眼藍根際微生物群落的影響

2.5.1 不同營養條件對根際微生物群落組成的影響 全營養(NP)、缺氮(QN)和缺磷(QP)處理下鳳眼藍根際微生物相對豐度前20屬的熱圖見圖2;主成分分析見圖3。

NP: 全營養Total nutrient; QN: 缺氮Nitrogen deficiency; QP: 缺磷Phosphorus deficiency. All-Neo-Par-Rhi: 異樣根瘤菌屬Allorhizobium-Neorhizobium-Pararhizobium-Rhizobium. *: P<0.05.

: 全營養Total nutrient; : 缺氮Nitrogen deficiency; : 缺磷Phosphorus deficiency. 圖中相同圖標代表同一處理組的重復樣本,括號內百分數為該主成分的貢獻率 The same icons represent replicate samples of the same treatment group, and the percentages in brackets represent contribution rate of the principal component.

結果(圖2)顯示:屬水平下,NP組相對豐度較高的屬為不黏柄菌屬(AsticcacaulisPoindexter)、草螺菌屬(HerbaspirillumBaldani)和嗜甲基菌屬(MethylophilusJenkins),QN組相對豐度較高的屬為不黏柄菌屬和彎桿菌屬(FlectobacillusLarkin),QP組相對豐度較高的屬為黃桿菌屬(FlavobacteriumBergey)、固氮螺菌屬(AzospirillumTarrand)和不動桿菌屬(AcinetobacterBrisou et Prevot)。

從Shannon-Wiener指數看,NP組鳳眼藍根際微生物群落的Shannon-Wiener指數(3.31)最高,QN組(3.06)次之,QP組(2.72)最低,3組間無顯著差異,說明與全營養處理相比,缺氮和缺磷處理下鳳眼藍根際微生物群落多樣性較低,物種分布不均勻。

主成分分析結果(圖3)顯示:NP組的樣本在圖中分布較為集中,而QN和QP組的樣本在圖中分布較為分散,說明全營養處理下各樣本的根際微生物群落組成較為相似,而缺氮和缺磷處理下各樣本的根際微生物群落組成相似性不高。

總體上看,全營養處理下鳳眼藍根際微生物群落組成多樣性較高,同一處理不同樣本間相似性較高,群落中較多的屬是不黏柄菌屬和草螺菌屬;缺氮和缺磷處理下根際微生物群落組成多樣性均降低,同一處理不同樣本間相似性較低;在缺氮條件下群落中較多的屬是不黏柄菌屬;缺磷條件下群落中較多的屬是黃桿菌屬。

2.5.2 不同營養條件對鳳眼藍根際微生物群落功能的影響 不同營養條件下鳳眼藍根際相對豐度前20的功能類群見圖4。結果顯示:尿素分解、硝酸鹽還原、植物病原、固氮、甲基營養、甲醇氧化、碳氫化合物降解、芳香烴降解、氮呼吸和硝酸鹽呼吸相關微生物的相對豐度在3組間有顯著差異。與NP組相比,QN和QP組上述10個功能類群的相對豐度均顯著降低。

NP: 全營養Total nutrient; QN: 缺氮Nitrogen deficiency; QP: 缺磷Phosphorus deficiency. *: P<0.05.

從固氮微生物類群的相對豐度看,NP組固氮微生物類群的相對豐度(8.49%)最高,顯著高于QN(0.14%)和QP(0.20%)組,但QN組與QP組間無顯著差異。

總體上看,全營養處理下鳳眼藍根際能夠富集更多氮代謝相關(硝酸鹽還原、固氮、氮呼吸和硝酸鹽呼吸)的微生物,能促進鳳眼藍的氮吸收;在缺氮處理下,由于水體中缺乏氮元素,因此氮代謝相關微生物的相對豐度顯著降低;缺磷處理下,水體中氮含量與全營養處理一致,但是根際微生物中仍缺乏氮代謝相關微生物,說明缺磷處理會顯著降低鳳眼藍根際對氮代謝相關微生物的富集作用。

3 討論和結論

已有大量研究證實水體中氮、磷含量是影響鳳眼藍生長的主要因子,其中多數研究都反映鳳眼藍生物量與水體中氮、磷含量呈正比[14-15,25-28],除生物量外,葉數和匍匐莖數也與水體中氮、磷含量呈正比[26],但是氮和磷中哪一種元素對鳳眼藍生長的影響更顯著尚無定論。本研究中,缺氮和缺磷處理均在處理后期能顯著抑制鳳眼藍鮮質量、葉數、葉寬、分株數和匍匐莖總長,缺氮處理與缺磷處理對鳳眼藍鮮質量、分株數和匍匐莖總長的抑制效果總體差異并不顯著,但缺磷處理下鳳眼藍葉數和分株數更少、匍匐莖較短。上述研究結果證實鳳眼藍具有受水體中氮、磷含量高度調控的表型可塑性,水體中氮、磷含量是鳳眼藍鮮質量增加的限制因子,缺磷處理下鳳眼藍繁殖能力較弱,表現為基本無分株。

本研究中,在缺氮和缺磷處理下鳳眼藍均出現根發育顯著強于葉發育的現象,表現為根部鮮質量增加。根系作為植物吸收水和養分的重要器官,發育受多種環境因子影響,具有高度可塑性[29],氮、磷元素供給作為影響植物形態建成的重要因子,一定程度的營養缺乏會促進植物根系發育,通過增加根系表面積,植物能獲得更多營養,以此抵消營養缺乏造成的脅迫[30-31]。有研究發現,輕度缺氮處理能顯著增加擬南芥〔Arabidopsisthaliana(Linn.) Heynh.〕根系長度,重度缺氮處理下擬南芥根系長度增加受到顯著抑制,低磷處理下擬南芥主根生長受到抑制,側根和根毛顯著發生[29,31]。馮優等[32]研究了5種水生植物對不同氮和磷水平養殖尾水的凈化效果,發現鳳眼藍根長會隨水體中氮、磷濃度降低而升高。王峻等[33]發現,缺氮和缺磷處理下小麥(TriticumaestivumLinn.)幼苗根系干質量、總根長、總根數均顯著下降,且缺磷組的下降程度較缺氮組更高。本研究中,全營養、缺氮和缺磷處理下鳳眼藍主根長差異均不顯著,但缺磷處理42 d的根部鮮質量顯著高于全營養和缺氮處理,表明鳳眼藍在缺氮和缺磷處理下根系生長能正常進行,且缺磷處理對根系生長有明顯促進作用。

光合作用作為植物體最重要的化學反應,能夠反映植物對環境資源的獲取效率,入侵植物往往具有更高的環境資源利用效率[28]。葉綠素是植物捕獲光能的必要物質,其組成中含有氮元素,缺氮會導致植物體中葉綠素含量降低,進一步使光合作用相關酶活性下降,使光合作用速率下降[34];缺氮的植物中,光合活性在葉片發育過程中的下降速度比葉綠素含量更快,導致能量捕獲和散失間不平衡,促使O2還原為超氧陰離子自由基,從而引發氧化應激[35]。光合作用同時依賴于ATP和NADPH等含磷化合物進行反應,缺磷導致ATP等合成量減少,阻礙光合作用的進行[36]。嚴重缺磷可導致CO2同化速率降低、光合作用相關基因下調以及光系統Ⅱ水平的光抑制,從而引起潛在的光氧化脅迫,使葉綠體中活性氧的產生增加[37]。因此,光合速率可以反映植物的生長狀況、健康程度和適應能力;用于清除植物體內活性氧的抗氧化酶〔以過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)為主〕能夠反映植物受脅迫的程度[38-39]。張迎穎等[40]發現,鳳眼藍葉片葉綠素相對含量與氮濃度呈顯著正相關。本研究中,鳳眼藍葉片葉綠素相對含量在缺氮處理下明顯降低,在缺磷處理后期也有所降低;缺氮和缺磷處理中后期能顯著抑制鳳眼藍葉片凈光合速率,總體上看缺氮處理對鳳眼藍葉片光合作用的抑制效果更強,但考慮到缺磷處理對鳳眼藍葉片發育的抑制效果顯著強于缺氮處理,因此缺氮和缺磷2種處理對鳳眼藍葉片光合作用均具有較強影響。同時,缺磷處理使鳳眼藍葉片中CAT、POD和SOD活性及丙二醛(MDA)含量明顯上升,而缺氮和全營養處理間差異較小,而根中3種酶活性和MDA含量無明顯變化。綜合考慮認為,缺磷處理使光氧化脅迫加劇,引起鳳眼藍葉片活性氧大量積累,對鳳眼藍產生的脅迫更強。

有研究結果表明:植物吸收氮、磷元素后會進行重分配,在缺素條件下,更多的營養物質會分配向根系[36]。本研究中,缺氮和缺磷處理會導致鳳眼藍葉片中氮、磷含量降低;在根中,缺磷處理會導致氮含量升高,缺氮處理會導致磷含量升高。缺磷處理對氮元素重分配向根部及缺氮處理對磷元素重分配向根部的促進效應在本實驗中均有體現,但缺氮處理引起的氮含量的降幅遠低于缺磷處理引起的磷含量的降幅,這可能是由于植物獲取磷元素方式較氮元素單一,僅能吸收正磷酸鹽以及將少量有機磷分解為無機磷吸收[41],而氮元素的吸收則為吸收游離的硝態氮和銨態氮[42],同時存在固氮微生物共生等途徑[17,20]。因此,鳳眼藍在水體缺磷條件下獲取磷會比缺氮條件下獲取氮更困難。

本研究中,缺氮和缺磷處理下鳳眼藍根際微生物群落的Shannon-Wiener指數均降低,說明缺氮和缺磷處理均會引起微生物多樣性降低。全營養處理下草螺菌屬的相對豐度較高,該屬為常見的植物聯合固氮菌[43];缺磷處理下黃桿菌屬的相對豐度最高,黃桿菌屬可能有植物根際促生潛能[44]。缺氮和缺磷處理下鳳眼藍根際氮代謝相關微生物的相對豐度顯著降低。Yi等[21]發現,鳳眼藍能夠增加水體中反硝化細菌豐度,降解水體中更多的硝酸鹽,促進植物對環境中氮元素的吸收。本研究中,全營養處理下鳳眼藍根際微生物群落相對豐度較高,其中固氮等氮代謝相關微生物的相對豐度也較高,在缺氮和缺磷處理下,固氮等氮代謝相關微生物的相對豐度均顯著下降,表明缺氮和缺磷處理均會抑制鳳眼藍根際固氮等氮代謝相關微生物的富集,從而抑制根際微生物對鳳眼藍氮吸收的促進效應。而在農田土壤缺乏氮元素時,可能會增強土壤中固氮菌活性[45],這可能是由于土壤成分較為復雜,而本研究中水體成分相對單一,這還需要在野外進行現場實驗進一步驗證。

鳳眼藍能夠在中國南方水系快速定殖爆發的主要原因是其具有快速生長和繁殖能力,旺盛的營養繁殖成為鳳眼藍快速增殖并爆發的生物學特性基礎,有研究表明1株鳳眼藍在適宜條件下每5天就可以產生1個單株[13]2。鳳眼藍快速生長和繁殖均需要大量的營養元素。本研究中,缺氮和缺磷處理18 d后均可顯著降低分株數,抑制鳳眼藍繁殖新的植株,可見通過控制鳳眼藍對氮、磷元素的吸收來防控其爆發具有較高的可行性;且缺磷處理對鳳眼藍生長的抑制作用更強,利用磷元素吸收抑制劑防控鳳眼藍可能具有較大的應用潛力。不同濃度磷元素對鳳眼藍生長的影響及其分子機制還需要進一步研究。

綜上所述,氮、磷元素缺乏能抑制鳳眼藍鮮質量、葉數、葉寬、分株數和匍匐莖總長,降低根際微生物多樣性及豐度,引起體內氮、磷元素優先分配向根部,葉發育減弱,光合作用效率降低,從而有效抑制其生長和繁殖;其中,缺磷處理對鳳眼藍生長和繁殖的抑制作用更強,可能是由于缺磷處理顯著降低了鳳眼藍根際對氮代謝相關微生物的富集,導致植株對氮元素的同化能力下降,光合速率下降引起光氧化脅迫加劇。因此,通過控制鳳眼藍對磷元素的吸收防控鳳眼藍爆發具有較大的應用潛力。