全 文 ：植物生态学报 2011, 35 (1): 45–55 doi: 10.3724/SP.J.1258.2011.00045
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
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收稿日期Received: 2010-05-14 接受日期Accepted: 2010-10-20
* 共同第一作者 Co-first author
** 通讯作者Author for correspondence (E-mail: dianlinyang@yahoo.com.cn)
四种牧草植物替代控制对黄顶菊入侵土壤细菌多
样性的影响
闫素丽1* 皇甫超河1* 李 刚1 左照江2 马 杰1, 3 杨殿林1**
1农业部环境保护科研监测所, 天津 300191; 2南开大学生命科学学院, 天津 300071; 3内蒙古农业大学农学院, 呼和浩特 010019
摘 要 土壤微生物群落与植物的生长发育密切相关, 入侵植物可以改变入侵地土壤微生物类群, 使土壤理化性质发生变
化, 从而促进其入侵过程。该文通过比较高丹草(Sorghum bicolor × S. sudanense)、向日葵(Helianthus annuus)、紫花苜蓿(Medi-
cago sativa)和多年生黑麦草(Lolium perenne)4种替代植物与黄顶菊(Flaveria bidentis)混合种植(以下简称混种)后不同时期的
土壤细菌多样性的变化, 揭示土壤细菌群落对黄顶菊入侵及替代管理措施的响应规律。结果表明, 单独种植(以下简称单种)
黄顶菊的土壤细菌多样性下降, 并且在整个生长期多样性指数多数情况下低于高丹草、向日葵、紫花苜蓿和多年生黑麦草单
种或与黄顶菊混种的土壤。当4种替代植物与黄顶菊混种后, 土壤细菌16S rRNA的变性梯度凝胶电泳(DGGE)图谱与它们分别
种植时存在明显差异, 且不同生长期各个混种土壤都有特征细菌群落。4种替代植物单种或与黄顶菊混种的土壤细菌Shannon
多样性指数变化规律与植物生长发育趋势相同, 7月份达到高峰, 8月份开始降低。总之, 黄顶菊入侵降低了土壤细菌群落多样
性, 4种替代植物与黄顶菊混种后, 又可提高土壤细菌群落多样性, 这种变化对黄顶菊成功入侵和替代防控具有重要作用。
关键词 多样性, 黄顶菊, 入侵植物, 入侵生态学, 替代控制, 土壤细菌
Effects of replacement control with four forage species on bacterial diversity of soil invaded
by Flaveria bidentis
YAN Su-Li1*, HUANGFU Chao-He1*, LI Gang1, ZUO Zhao-Jiang2, MA Jie1, 3, and YANG Dian-Lin1**
1Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture, Tianjin 300191, China; 2College of Life Sciences, Nankai University, Tianjin 300071, China;
and 3College of Agronomy, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010019, China
Abstract
Aims Invasive plants can alter soil physicochemical properties by changing the soil microbial community
(which is closely related to plant growth and development) and thus further promote the invasion process. Our
objectives were to (a) compare changes in soil bacterial diversity with cultivation of four replacement plants
(Sorghum bicolor × S. sudanense, Helianthus annuus, Medicago sativa and Lolium perenne) mixed with Flaveria
bidentis in different growth period and (b) determine the responses of the soil bacterial community to F. bidentis
invasion and replacement.
Methods Total soil bacterial DNA was extracted by PowerSoil® DNA Isolation Kit, 16S rRNA V3 fragments
were amplified with bacterial universal primers, and purified fragments were cloned into pGEM-T-Easy vector.
Sequence results were aligned on NCBI.
Important findings Soil bacterial diversity was decreased in F. bidentis monoculture and was lower than in the
soils of the monocultures of the four replacement plants and in the soils of the replacement plants and F. bidentis.
There were Hsignificant differencesH in soil bacterial 16S rRNA denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE)
fingerprinting patterns between the mixed- and monoculture soils. Also, there were characteristic bacterial
communities with each mixed culture soil on different dates. The Shannon diversity index of soil bacteria peaked
in July and decreased starting in August, and this change was synchronous with plant growth. Soil bacterial
diversity was reduced following the invasion of F. bidentis, and that the diversity level was increased by
cultivating replacement plants with F. bidentis. Therefore, we proposed that soil bacteria play an important role in
F. bidentis invasion and control.
Key words diversity, Flaveria bidentis, invasive plant, invasion ecology, replacement control, soil bacteria
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入侵植物凭借其独特的竞争优势在新入侵地
快速生长繁殖, 同时对当地的生态系统、生态功能、
生物多样性以及农业生产等带来巨大的危害
(Stylinski & Allen, 1999; 万方浩等, 2002)。在早期
研究中, 对于入侵植物与入侵地生态系统各组分间
相互作用的研究多集中在地上部分(HLevineH et al.,
2003), 但是随着入侵生态学的发展, 植物间在地下
的竞争要远远大于地上(Copley, 2000)。入侵植物会
改变入侵地土壤的生物(微生物群落)和非生物(养
分循环)特性, 反过来, 这种改变会影响外来植物的
入侵进程 (Bever, 2003; Callaway et al., 2004;
Reinhart & Callaway, 2006)。在入侵植物的入侵过程
中, 其根系分泌的化感物质可以直接或间接地影响
土壤微生物的生命活动(Christian & Wilson, 1999)
和土著植物的营养成分吸收(Callaway & Asehe-
houg, 2000), 进而改变地上生态系统结构(Levine &
Antonio, 1999)。因此, 入侵植物对入侵地土壤生态
系统的影响已经成为外来植物的重要入侵机制之
一, 受到越来越多的关注(于兴军等, 2005)。
黄顶菊(Flaveria bidentis)隶属于菊科黄顶菊属,
为一年生草本植物, 原产于南美洲, 后传播到北美
洲、西印度群岛等地, 2001年在我国天津、河北等
地首次发现(高贤明等, 2004), 目前已经扩散至河北
省的88个县, 并有以河北省中南部为中心向周边其
他省市扩散的趋势(张天瑞等, 2010)。从生态位模型
推断, 黄顶菊在我国的潜在适应分布区不限于河北
省及其周边地区, 还包括我国黄河以南的15个省市
自治区(白艺珍等, 2009)。黄顶菊的根、茎、叶均能
释放化感物质(任艳萍等, 2009), 在其入侵过程中,
这些化感物质能够抑制植物种子萌发和幼苗生长
(张风娟等 , 2008; 冯建永等 , 2009; 任艳萍等 ,
2009), 同时黄顶菊植株表现出比伴生种更为优越
的光合性状(皇甫超河等, 2009), 从而严重影响了入
侵地生物多样性水平, 且威胁到了农业生产安全。
对黄顶菊进行替代控制研究表明, 高丹草(Sorghum
bicolor × S. sudanense)、紫花苜蓿(Medicago sativa)
和多年生黑麦草(Lolium perenne)对黄顶菊具有较
强的竞争优势, 是较好的替代控制材料(马杰等 ,
2010), 并且高丹草和紫花苜蓿已经在田间替代试
验中表现出对黄顶菊良好的控制效果(皇甫超河等,
2010b)。黄顶菊入侵和替代控制后, 其土壤微生物
群落是否会发生变化, 目前尚无相关报道。在土壤
微生物群落中, 植物根部分布的细菌在植物营养吸
收、生长等方面起着至关重要的作用(Marschner et
al., 2001)。 也正是由于这个原因, 植物根际细菌群
落和功能受到越来越多的关注。实际上, 一般认为
不同的植物种类会影响特定的根际微生物种群
(Burke et al., 2002; Costa et al., 2006), 正是由于不
同植物根系分泌物的差异, 造成了同一生长条件下
根际细菌类群的不同(Marschner et al., 2001; Smalla
et al., 2001)。此外, 李会娜(2009)对黄顶菊不同生育
期微生物群落的研究也证实, 虽然其根际微生物的
总量在不同时期有所变化, 但细菌在各个时期土壤
微生物组成中都占绝对优势, 说明它对根际微生态
的稳定及根际养分的供应起着重要作用。因此, 本
研究采用高丹草、紫花苜蓿、多年生黑麦草和向日
葵(Helianthus annuus)与黄顶菊进行替代控制试验,
采用变性梯度凝胶电泳分析替代处理后土壤细菌
类群的变化, 以期为黄顶菊的入侵机制研究和入侵
生境生态恢复提供理论依据。
1 材料和方法
1.1 研究区概况
研究区地处华北平原, 位于河北省沧州市献县
陌南镇镇北(38°15.505′ N, 115°57.838′ E), 海拔5
m。该地区气候类型属于温带大陆性季风气候。四
季分明, 年降水量约560 mm, 全年平均日照时数为
2 800 h, 日照率为31.96%, 无霜期189天, 年平均气
温12.3 ℃。土壤类型属于潮土, 土质较紧实, 质地
较黏, 轻度盐渍化, pH值偏弱碱性。
1.2 试验设计与样品采集
2009年4月底, 采用3 × 3拉丁方设计, 人工建
立黄顶菊、高丹草、向日葵、紫花苜蓿和多年生黑
麦草群落, 处理分别为黄顶菊单独种植(以下简称
单种) (Fb)、高丹草单种(Ss)、高丹草和黄顶菊混合
种植(以下简称混种) (Fb + Ss)、向日葵单种(Ha)、
向日葵和黄顶菊混种(Ha + Fb)、紫花苜蓿单种(Ms)、
紫花苜蓿和黄顶菊混种(Ms + Fb)、多年生黑麦草单
种(Lp)、多年生黑麦草和黄顶菊混种(Lp + Fb), 混种
比例是替代植物:黄顶菊为2:1。每个处理种植面积
为3 m × 3 m, 其中高丹草、紫花苜蓿和多年生黑麦
草替代区组单位面积植株数为300株·m–2, 向日葵
替代区组单位面积植株数为30株 ·m–2, 均为5次
重复。
闫素丽等: 四种牧草植物替代控制对黄顶菊入侵土壤细菌多样性的影响 47

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在2009年6–9月间, 采用5点取样法, 每隔30天
对样地土壤进行取样, 取土深度为0–20 cm, 样品
在4 ℃下保存带回实验室。
1.3 分析方法
1.3.1 土壤细菌总DNA提取
土壤细菌总DNA提取, 参照MO BIO公司试剂
盒(PowerSoil® DNA Isolation Kit)说明书进行, 提取
的DNA用1%琼脂糖凝胶电泳检测。
1.3.2 16S rRNA的PCR扩增
16S rRNA的扩增引物采用细菌通用引物, 序
列为: 341f (5′ CC TAC GGG AGG CAG CAG 3′)和
534 r ( 5′ CCAGCAGCCGCGGTAAT 3′), 其中引物
341f前接GC发夹结构( 5′ CGC CCG CCG CGC
GCG GCG GGC GGG GCG GGG GCA CGG GGG
G 3′) (Muyzer et al., 1993)。PCR反应体系(50 μL)为:
10 × PCR buffer 5 μL, dNTP mix 4 μL, 引物各2.5
μL, EX Taq酶0.5 μL, 模板4 μL, 最后无菌ddH2O补
足50 μL。PCR反应程序为: 95 ℃ 5 min, 94 ℃ 45 s、
61 ℃ 30 s、72 ℃ 30 s 10个循环, 每个循环降低复性
温度0.5 ℃, 94 ℃ 45 s, 56 ℃ 30 s, 72 ℃ 30 s, 25个循
环, 最后72 ℃ 7 min。PCR扩增结果用2%琼脂糖凝
胶电泳检测。
1.3.3 土壤细菌PCR扩增产物的变性梯度凝胶
电泳
土壤细菌变性梯度凝胶电泳在Bio-rad公司
DGGE操作系统上进行, 所用丙烯酰胺胶浓度为
8%, 变性梯度为 40%–60%, 电泳缓冲液为 1 ×
TAE。将25 μL混有loading buffer的PCR产物用微量
进样器加入胶孔内, 60 ℃、200 V条件下电泳5 h后,
用SYBR Green浸泡30 min染色, 随即在凝胶成像系
统上照相, 选取清晰的公共条带和特异条带进行切
割, 将切下的条带放在盛有500 μL无菌ddH2O的1.5
mL离心管中, 4 ℃过夜洗脱DNA。
1.3.4 特异性条带的克隆与测序
以切下来的公共和特异条带DNA为模板, 用不
带GC夹子的引物扩增, PCR反应体系同上, 反应程
序为: 95 ℃预变性 7 min, 94 ℃ 30 s, 58 ℃ 30 s, 72
℃ 30 s, 35个循环, 最后72 ℃ 7 min。扩增产物用
Promage回收纯化试剂盒进行回收, 将回收产物克
隆到pGEM-T载体(Takara)中, 在含有Amp、IPTG和
X-Gal的LB培养基上进行蓝白斑筛选, 随机挑取5
个白斑用不带GC夹子的引物扩增, 扩增产物用2%
琼脂糖凝胶电泳检测。检测到的阳性克隆交由上海
生物工程技术服务有限公司进行测序, 获得的16S
rRNA序列与NCBI数据库中的序列进行比对分析
(http: //www ncbi/nlm/nih/gov BLAST)。
1.3.5 图像处理与数据分析
DGGE图像采用Quantity one软件进行数据化
处理。Shannon多样性指数采用下列公式进行计算,
H′ = –∑
=
s
i
PiPi
1
ln
其中, Pi是条带的亮度峰值与所有条带亮度峰值总
和的比值。采用SPSS 17.0 软件对试验数据进行分
析, 用Duncan新复极差法进行方差分析和差异显著
性检验(p < 0.05)。
2 结果分析
2.1 土壤细菌总DNA及PCR扩增的16S rRNA V3
区片段
土壤细菌总DNA表现为一条整齐的条带, 片段
大小在20.0 kb左右(图1)。以土壤细菌总DNA为模
板, 扩增出的16S rRNA V3区片段长度大约为200
bp, 以7月份的土壤细菌16S rRNA V3区扩增区片
段电泳图为例说明(图2)。
2.2 DGGE电泳结果及16S rRNA序列系统发育
分析
通过对DGGE图谱(图3)进行比较分析, 在各月
份中, 多数条带是几种植物土壤细菌类群所共有
的, 但是也存在一些特征性差异条带, 并且亮度差
别也较大。这表明各种替代植物与黄顶菊混种后,
虽然大部分土壤细菌未发生变化, 但是一些特殊细
菌的数量和种类却发生了改变。对各时期DGGE胶
上的特征条带进行切割, 6–9月份分别得到17、25、
16和17条。切割下的条带经扩增、纯化回收、克隆、
测序后 , 所得序列在170–200 bp范围内 , 与Gen-
Bank核酸数据库的对比结果如表1–5所示。
2.2.1 4种替代植物不同生长期的公共菌群
不同替代植物各生长期土壤中存在共同的细
菌类群, 苗期(6月)植物根系土壤细菌以变形菌门
(Proteobacteria)的α、β、γ、δ变形菌纲(Proteobact-
erium)、酸杆菌门(Acidobacteria)、拟杆菌门(Bacte-
roidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)和放线菌门(Actino-
bacterium)为主要菌群。在植物的营养生长期(7月),
土壤中以放线菌门细菌最多、同时存在变形菌门、
48 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2011, 35 (1): 45–55

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图1 7月份土壤细菌总DNA电泳图。Fb CK, 黄顶菊对照; Ss
CK, 高丹草对照; Ss + Fb, 高丹草黄顶菊混种; Ha CK, 向日
葵对照; Ha + Fb, 向日葵黄顶菊混种; Ms CK, 紫花苜蓿对
照; Ms + Fb, 紫花苜蓿黄顶菊混种; Lp CK, 多年生黑麦草
对照; Lp + Fb, 多年生黑麦草黄顶菊混种。
Fig. 1 The gel electrophoresis of total soil bacterial DNA in
July. Fb CK, Flaveria bidentis CK; Ss CK, Sorghum bicolor ×
S. sudanense CK; Ss + Fb, Sorghum bicolor × S. sudanense
mixed with Flaveria bidentis; Ha CK, Helianthus annuus CK;
Ha + Fb, Helianthus annuus mixed with Flaveria bidentis;
Ms CK, Medicago sativa CK; Ms + Fb, Medicago sativa mixed
with Flaveria bidentis; Lp CK, Lolium perenne CK; Lp + Fb,
Lolium perenne mixed with Flaveria bidentis.




图2 7月份土壤细菌16S rRNA V3区扩增区片段电泳图。缩
写字母注释同图1。
Fig. 2 The gel electrophoresis of amplified 16S rRNA V3
fragments in July. Abbreviations are the same as in Fig.1.



芽单胞菌门 (Gemmatimonadetes)和硝化螺旋菌门
(Nitrospirae)细菌。在植物生殖生长期(8月), 土壤细
菌的主要菌群为: 变形菌门、放线菌门、厚壁菌门、
绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门和拟杆菌门。成熟
期(9月), 土壤细菌数量和种类下降, 以变形菌门、
放线菌门、厚壁菌门和酸杆菌门细菌为主要菌群。
2.2.2 黄顶菊不同生长时期的特征菌群
黄顶菊苗期(6月)根系土壤细菌以酸杆菌门和
变形菌门细菌为主, 与土壤公共菌群基本相似。在7
月黄顶菊营养生长期, 土壤菌群中出现一种较特殊
的不可培养的未知菌(23号条带), 与变形菌门细菌
相似。8月生殖生长期, 黄顶菊根系土壤中拟杆菌门
细菌较为明显。在9月份生长末期, 土壤细菌以变形

菌门细菌居多(表1)。
2.2.3 高丹草与黄顶菊混种的土壤特征菌群
高丹草和黄顶菊混种后, 土壤细菌类群发生变
化。高丹草苗期(6月份)土壤细菌除了公共菌群外还
有未知菌(16号条带), 而与黄顶菊混种后, 未知菌
条带亮度明显减弱。7月份, 高丹草和黄顶菊混种土
壤中, 细菌类群以变形菌门(8号条带)和放线菌门细
菌(14号条带)为特征菌群, 而在8月份, 则以α变形
菌纲的细菌(7号条带)为特征菌群, 当9月份植物生
长进入衰老期后, 单种高丹草及与黄顶菊混种土壤
中细菌类群与土壤公共菌群相似 , 无特殊菌群
(表2)。
2.2.4 向日葵与黄顶菊混种土壤的特征菌群
在苗期(6月), 向日葵单种及与黄顶菊混种的土
壤细菌类群中出现新的细菌种类, 经比对是不可培
养的未知菌(2、3号条带)。7月份营养生长期单种向
日葵及与黄顶菊混种土壤中的细菌类群以放线菌
门(5、16号条带)、α变形菌纲(6、13号条带)和不可
培养的未知菌(6号条带)为特征菌群。在生殖生长期
(8月), 向日葵土壤细菌以变形菌纲(14、16号条带)、
放线菌门(15号条带)和一种未知菌(8号条带)为特征
菌群, 混种后这些条带均减弱。在9月份, 单种向日
葵及与黄顶菊混种土壤中的特征菌群是绿弯菌门
细菌(7号条带)与2种未知菌(10、16号条带) (表3)。
2.2.5 紫花苜蓿与黄顶菊混种的土壤特征菌群
紫花苜蓿与黄顶菊混种后, 苗期(6月)根系土壤
中的特征菌群是β变形菌门(4号条带); 营养生长期
(7月)土壤中放线菌门(2号条带)的细菌居多; 8月份
紫花苜蓿根系土壤中拟杆菌门细菌(4号条带)为特
征菌群; 植物生长末期(9月)变形菌门中华根瘤菌
属(8号条带)和酸杆菌门(13号条带)细菌较多, 但是
放线菌门细菌减少(表4)。
2.2.6 多年生黑麦草与黄顶菊混种的土壤特征菌
群
多年生黑麦草是一种适应性强的禾本科牧草,
与黄顶菊混种后, 不同生长期细菌群落不同。7月份
多年生黑麦草与黄顶菊混种土壤中出现了新菌种,
是一种未知菌(22号条带)。在8月, 混种土壤中以α
变形纲的中慢生根瘤菌属细菌(5号条带)为代表。在
9月, 多年生黑麦草与黄顶菊混种土壤中除了公共
菌群外, 还多了一种未知菌(15号条带) (表5)。

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图3 不同时期土壤细菌16S rRNA V3区扩增区片段的DGGE图谱。A、B、C、D分别表示6、7、8、9月不同土壤细菌16S rRNA
V3区片段的DGGE图谱。缩写字母同图1。图中数字指割取条带序号。
Fig. 3 DGGE profiles of 16S rRNA V3 fragments in different stage soil bacteria. A, B, C, D, DGGE profiles of 16S rRNA V3
fragments in different soil bacteria in June, July, August and September, respectively. Abbreviations are the same as in Fig. 1. The
number in the figure represents serial number for bands cut.


50 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2011, 35 (1): 45–55

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表1 黄顶菊不同生长时期土壤细菌克隆序列与GenBank最相似序列的比较结果
Table 1 Comparison results of cloned sequences of soil bacteria cultivated with Flaveria bidentis in different growth period and
the most similar sequence in GenBank
割取条带位置
Band cut site
条带号
No. of the band
登陆号
Accession No. in GenBank
近缘菌群
Closest bacteria
相似度
Similarity (%)
6月 June Fb 9
17
FJ152853.1
FJ785824.1
Uncultured bacterium clone TX5A_145
Uncultured bacterium clone EP9
100
94
7月 July Fb 23 EF614061.1 Uncultured bacterium clone NGD40 99
8月 August Fb 1 GQ410521.1 Uncultured Candidatus Amoebophilus sp. 97
9月 September Fb 1
2
4
5
13
14
GQ860246.1
EF651068.1
DQ828045.1
AM936427.1
DQ642734.1
DQ444104.1
Uncultured bacterium clone AR141
Uncultured delta proteobacterium
Uncultured proteobacterium
Uncultured Rhodospirillaceae
Uncultured soil bacterium
Uncultured bacterium clone DS3-24
100
96
99
100
98
95
Fb, 黄顶菊单种。
Fb, Flaveria bidentis single cultivation.


表2 高丹草单种或与黄顶菊混种后不同时期土壤细菌克隆序列与GenBank的最相似序列的比较结果
Table 2 Comparison results of cloned sequences of soil bacteria cultivated with Sorghum bicolor × S. sudanense or mixed with
Flaveria bidentis in different growth period and the most similar sequence in GenBank
割取条带位置
Band cut site
条带号
No. of the band
登陆号
Accession No. in GenBank
近缘菌群
Closest bacteria
相似度
Similarity (%)
Ss 16 GU118711.1 Uncultured bacterium clone Mfra_M13 100 6月 June
Ss + Fb 11 FJ870384.1 Acidobacteria bacterium 100
Ss 14
17
18
EU300452.1
EU834798.1
AY154495.1
Uncultured actinobacterium
Uncultured bacterium clone OTUc49
Uncultured earthworm intestine bacterium
99
95
100
7月 July
Ss + Fb 3
4
8
AB531400.1
GQ500847.1
EF651444.1
Arthrobacter sp.
Uncultured bacterium clone MACA- MR 18
Uncultured proteobacterium clone
100
100
94
Ss 10
13
GU143709.1
AB451868.1
Rhizobium sp. MerE-11
Uncultured Firmicutes bacterium
100
100
8月 August
Ss + Fb 6
7
9
GU056305.1
FJ966196.1
FJ930738.1
Pseudoxanthomonas sp.
Sphingobium sp.
Uncultured bacterium clone W3-C09
98
98
98
Ss – – – – 9月 September
Ss + Fb – – – –
Ss, 高丹草单种; Fb + Ss, 高丹草和黄顶菊混种; –, 未切取条带。
Ss, Sorghum bicolor × S. sudanense single cultivation; Fb + Ss, Sorghum bicolor × S. sudanense and Flaveria bidentis mixed cultivation; –, no band
was cut.


2.3 替代植物土壤细菌16S rRNA V3区扩增片段
DGGE条带的Shannon多样性
对替代植物不同时期的土壤细菌DGGE条带进
行Shannon多样性指数进行分析, 结果如图4所示。
不同替代植物不同时期土壤细菌的Shannon多样性
指数处于动态变化之中, 总体趋势为细菌多样性指
数在7月达到最高峰, 然后开始降低。单种黄顶菊在
各个取样时期(6–9月)土壤细菌多样性指数除8月份
略高于紫花苜蓿(p > 0.05)外, 均低于替代植物或混种
植物土壤, 分别为2.083、2.582、2.406和2.077(图4)。
向日葵(6–9月)、紫花苜蓿(7月)和多年生黑麦草(6–8
月)与黄顶菊混种后土壤细菌多样性指数较3种替代
植物单种分别降低了12.64% (p < 0.05)、3.20%、
10.58% (p < 0.05)、14.24% (p < 0.05); 10.23% (p <
0.05)、10.21% (p < 0.05)、5.47%和5.03%, 这表明黄顶
菊入侵后会导致入侵地土壤细菌多样性降低。除9月
紫花苜蓿与黄顶菊混种土壤细菌多样性指数略低于
黄顶菊单种外, 其余替代植物与黄顶菊混种(6–9月)
土壤细菌多样性均高于黄顶菊单种, 其中高丹草、向
日葵、紫花苜蓿和多年生黑麦草与黄顶菊混种后土壤
细菌多样性指数较黄顶菊单种最高可提高12.22%
(p < 0.05) (9月)、13.61% (p < 0.05) (6月)、23.09% (p <
0.01) (6月)、15.16% (p < 0.01) (6月), 这表明替代植物
可提高黄顶菊入侵地的土壤细菌多样性。

闫素丽等: 四种牧草植物替代控制对黄顶菊入侵土壤细菌多样性的影响 51

doi: 10.3724/SP.J.1258.2011.00045
表3 向日葵单种或与黄顶菊混种后不同时期土壤细菌克隆序列与GenBank的最相似序列的比较结果
Table 3 Comparison results of cloned sequences of soil bacteria cultivated with Helianthus annuus or mixed with Flave-
ria bidentis in different growth period and the most similar sequence in GenBank
割取条带位置
Band cut site
条带号
No. of the band
登陆号
Accession No. in GenBank
近缘菌群
Closest bacteria
相似度
Similarity (%)
Ha 1
2
3
7
GQ487891.1
GU117236.1
GQ500847.1
EU122663.1
Uncultured bacterium clone T1-11
Uncultured bacterium clone Feb08_07C
Uncultured bacterium clone MACA-MR18
Uncultured Acidobacteria bacterium
100
100
99
100
6月
June
Ha + Fb – – – –
Ha 5
6
9
10
13
20
EF221451.1
FJ478699.1
EU849335.1
GQ495519.1
FJ946319.1
EU665105.1
Uncultured Actinobacterium clone SI-1M_C07
Uncultured bacterium clone p9c21ok
Uncultured actinobacterium
Uncultured bacterium clone VR-12-13
Uncultured alpha proteobacterium
Uncultured Gemmatimonadales
100
99
98
99
100
98
7月
July
Ha + Fb 1
7
12
16
AB196109.1
FJ184006.1
GQ468625.1
GQ067089.1
Uncultured bacterium gene
Uncultured alpha proteobacterium
Uncultured Dactylosporangium sp.
Uncultured bacterium clone nbw1121h01c1
95
100
100
98
Ha 2
3
8
15
AJ538059.1
FJ949425.1
GU201109.1
EU810962.1
Uncultured Acidobacterium sp.
Uncultured Chloroflexi bacterium
Uncultured bacterium clone 6123Rh
Uncultured actinobacterium
94
95
100
100
8月
August
Ha + Fb 14
16
GU122957.1
AY792291.1
Agrobacterium sp. DBT2TW2
Uncultured alpha proteobacterium
100
98
Ha 10
11
16
GQ859734.1
GU200785.1
GQ994692.1
Uncultured bacterium clone AA145
Uncultured bacterium clone 1074Rh
Uncultured organism clone anti_mic10
100
98
100
9月
September
Ha + Fb 6
7
EU300503.1
EU300495.1
Uncultured Firmicutes bacterium
Uncultured Chloroflexi bacterium
100
98
Ha, 向日葵单种; Ha + Fb, 向日葵和黄顶菊混种。–, 未切取条带。
Ha, Helianthus annuus single cultivation; Ha + Fb, H. annuus and Flaveria bidentis mixed cultivation. –, no band was cut.



表4 紫花苜蓿单种或与黄顶菊混种各个生长时期土壤细菌克隆序列与GenBank的最相似序列的比较结果
Table 4 Comparison results of cloned sequences of soil bacteria cultivated with Medicago sativa or mixed with Flaveria bidentis
in different growth period and the most similar sequence in GenBank
割取条带位置
Band cut site
条带号
No. of the band
登陆号
Accession No. in GenBank
近缘菌群
Closest bacteria
相似度
Similarity (%)
Ms 4
6
8
10
12
EU300518.1
FJ898299.1
GQ302567.1
EU097123.1
EU300282.1
Uncultured beta proteobacterium
Lysobacter sp.
Uncultured Acidobacterium bacterium
Uncultured Acidobacteria bacterium
Uncultured Firmicutes bacterium
100
100
98
100
94
6月
June
Ms + Fb 15 FJ439172.1 Uncultured alpha proteobacterium 98
Ms 2
21
GU171380.1
GU097375.1
Arthrobacter aurescens
Uncultured Nitrosospira sp.
100
99
7月
July
Ms + Fb – – – –
Ms – – – – 8月
August Ms + Fb 4 AM935033.1 Uncultured Bacteroidetes bacterium 100
Ms 8
9
13
GU143703.1
GQ397012.1
DQ642734.1
Sinorhizobium medicae strain MerF-1
Uncultured bacterium clone AK1DE2_04C
Uncultured soil bacterium
100
95
98
9月
September
Ms + Fb – – – –
Ms, 紫花苜蓿单种; Ms + Fb, 紫花苜蓿和黄顶菊混种。–, 未切取条带。
Ms, Medicago sativa single cultivation; Ms + Fb, M. sativa and Flaveria bidentis mixed cultivation. –, no band was cut.


52 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2011, 35 (1): 45–55

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表5 多年生黑麦草单种或与黄顶菊混种后不同时期土壤细菌克隆序列与GenBank的最相似序列的比较结果
Table 5 Comparison results of cloned sequences of soil bacteria cultivated with Lolium perenne or mixed with Flaveria bidentis
in different growth period and the most similar sequence in GenBank
割取条带位置
Band cut site
条带号
No. of the band
登陆号
Accession No. in GenBank
近缘菌群
Closest bacteria
相似度
Similarity (%)
Lp – – – – 6月 June
Lp + Fb 14
15
FM200957.1
FJ439172.1
Uncultured bacterium partial
Uncultured alpha proteobacterium
100
98
Lp 19 EF651365.1 Uncultured Actinobacterium clone 97 7月 July
Lp + Fb 22 EF614061.1 Uncultured bacterium clone AR012 99
Lp – – – – 8月 August
Lp + Fb 5
11
EU305587.1
AJ519658.1
Uncultured Mesorhizobium
Uncultured gamma proteobacterium
98
95
Lp – – – – 9月 September
Lp + Fb 15 EF018599.1 Uncultured bacterium clone Amb_16S_871 100
Lp, 多年生黑麦草单种; Lp + Fb, 多年生黑麦草和黄顶菊混种。–, 未切取条带。
Lp, Lolium perenne single cultivation; Lp + Fb, L. perenne and Flaveria bidentis mixed cultivation. –, no band was cut.




图4 替代植物不同生长时期的土壤细菌Shannon多样性指数的变化(平均值±标准误差)。A、B、C、D依次为高丹草、向日
葵、紫花苜蓿和多年生黑麦草不同替代时期的土壤细菌Shannon多样性指数。缩写字母同图1。
Fig. 4 Changes of the Shannon diversity index of soil bacteria cultivated with replacement plants during the different growth peri-
ods (mean ± SE). A, B, C, D, showing the Shannon diversity index of soil bacteria cultivated with Sorghum bicolor × S. sudanense,
Helianthus annuus, Medicago sativa and Lolium perenne in different growth periods, respectively. Abbreviations are the same as in
Fig. 1.

3 讨论
外来植物侵入到新栖息环境后, 在适宜条件下
扩散蔓延, 导致当地生物多样性丧失(Heijden et al.,
1998; Marler et al., 1999)。在整个过程中, 土壤微生
物起到了桥梁作用, 外来物种通过改变入侵地土壤
微生物群落, 从而破坏当地植物与土壤微生物间经
过漫长历程形成的平衡共生关系, 进而影响当地物
种的生长和种群更新, 使其自身获得偏利(于兴军
等, 2005)。Hawkes等(2006)在研究美国加州和犹他
州草地时发现, 入侵该地的裂稃燕麦(Avena bar-
bata)和大麦状雀麦(Bromus hordeaceus)能明显改变
闫素丽等: 四种牧草植物替代控制对黄顶菊入侵土壤细菌多样性的影响 53

doi: 10.3724/SP.J.1258.2011.00045
当地植物根部微生物群落组成, 使其由菌根菌转变
为非菌根菌, 进而导致当地植物的竞争能力降低,
使该外来种得以成功入侵。紫茎泽兰(Eupatorium
adenophorum)入侵后 , 引起土壤中自生固氮菌
(Azotobacter)、氨氧化细菌(ammonia oxidizing bac-
teria)和真菌数量升高, 微生物群落的变化使得土壤
中的营养成分更有利于紫茎泽兰生长、竞争与扩张,
进而促进其入侵过程(牛红榜等, 2007)。本研究表明,
由于黄顶菊的存在, 土壤细菌多样性降低(图4), 而
土壤微生物群落的改变必将会影响本地植物的生
长发育, 进而导致黄顶菊的成功入侵(Ehrenfeld et
al., 2001)。黄顶菊降低土壤细菌多样性的原因可能
与其根系分泌物有关, Xie等(2010)最近通过高速逆
流色谱法分离了黄顶菊黄酮类成分, 表明其植株内
含有诸如槲皮素和山萘酚黄酮类的化感物质, 但是
在黄顶菊入侵的过程中, 这些化感物质所起的作用
尚有待于深入研究。
目前对外来入侵植物的防控多采用人工拔除、
机械或化学防除等方法, 但是效果均不理想, 这可
能与入侵植物破坏了入侵地的土壤性质有关(于兴
军等, 2005)。近年来很多研究表明, 用当地土著种
和优质牧草与入侵植物替代竞争能起到显著的生
态防控效果 , 例如关广清等 (1995)采用紫穗槐
(Amorpha fruticosa)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、
小冠花(Coronilla varia)、紫花苜蓿等10种竞争力强
的替代植物控制豚草(Ambrosia artemisiifolia), 取
得了明显的社会、生态和经济效益。多年生黑麦草
在与紫茎泽兰的相互竞争中具有较强的竞争优势,
且竞争效应表现为地下部分的竞争较强, 具有生态
防控效果(朱宏伟等, 2007)。紫花苜蓿是一种经济价
值较高的牧草, 在与紫茎泽兰的竞争中能以发达的
根系在土壤营养竞争中占据优势(于亮等, 2009)。多
年生黑麦草、紫花苜蓿和高丹草在与黄顶菊的相互
竞争中均占优势, 但是紫花苜蓿和多年生黑麦草只
有在高密度种植下才能起到抑制效应, 而高丹草在
低密度种植时就能起到明显的控制作用(皇甫超河
等, 2010b; 马杰等, 2010)。向日葵根系发达, 并具有
较强的化感作用, 对阔叶杂草生长有较强的抑制作
用(周凯等, 2004)。高丹草、向日葵、紫花苜蓿和多
年生黑麦草在分别与黄顶菊混种后, 土壤细菌16S
rRNA基因的DGGE图谱与它们分别种植时有较大
变化(图3), 表明混种后替代植物改变了黄顶菊入侵
地的微生物群落结构, 使其接近于替代植物的土壤
微生物类群, 这可能是多年生黑麦草、紫花苜蓿和
高丹草对黄顶菊具有较强竞争优势的原因所在。这
与黑小麦(Lolium Perenne)和三叶草(Trifolium re-
pens)间作后, 三叶草改变黑小麦根际微生物群落结
构的研究结果相类似(Hiddink et al., 2005)。4种替代
植物可能通过根系分泌物改变黄顶菊入侵地土壤
微生物群落结构, 使其向有利于替代植物的群落结
构转变, 而这些根系分泌物与黄顶菊的化感成分之
间是否存在相互作用(皇甫超河等, 2010a), 其最终
如何影响微生物群落变化？对其尚需深入研究。
高丹草、向日葵、紫花苜蓿、多年生黑麦草和
黄顶菊在单种或混种后, 在不同的生长时期, 其细
菌多样性指数均发生变化, 并且与植物的生长发育
趋势相同, 7月份植物生长旺盛, 细菌数量也多, 8月
份细菌多样性开始降低, 9月份则明显降低。土壤微
生物随植物生长期的变化可能与温度、水分等外界
条件以及植物自身生长发育状态有关, 这与张风华
等(2000)、胡元森等(2004)的研究结果相一致。
致谢 2008年公益性行业(农业)科研专项经费资助
(200803022)。
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责任编委: 郭良栋 责任编辑: 王 葳