中华根瘤菌株QL2与不同紫花苜蓿品种共生效应的差异

doi:10.11686/cyxb2025030

摘要/Abstract

摘要：

为明确中华根瘤菌株QL2共生不同紫花苜蓿品种的固氮效应差异特征，提高紫花苜蓿的结瘤固氮能力和天然氮素利用效率。以中华根瘤菌QL2和8个紫花苜蓿［3个国外引进品种（WL168HQ、WL298HQ和WL319HQ）、我国3个育成品种（甘农3号、甘农5号和甘农9号）及2个地方品种（清水苜蓿和陇中苜蓿）］为材料，通过结瘤、固氮、饲草生物量和营养品质等指标，研究接种QL2后在共生、固氮和促生效应等方面的差异特征。结果表明：接种根瘤菌QL2后，我国育成型紫花苜蓿品种的有效根瘤单颗重、根瘤直径以及根瘤组织被侵染细胞数目均显著优于地方品种和国外引进品种70%以上。固氮效应方面，国外引进品种固氮率（52.62%~63.49%）和我国育成品种的固氮率（53.30%~62.41%），均显著高于地方品种（43.05%~46.72%）。层次分割分析表明结瘤因子（根瘤组织被侵染细胞数目、单株有效根瘤数、单颗有效根瘤重和根瘤直径）和固氮因子（固氮酶活性、固氮率和固氮量）对地上干重具有63%的解释率，其中固氮因子的贡献率达89.56%，结瘤因子的贡献率仅占13.55%。相关性分析表明接种根瘤菌QL2后，不同类型品种固氮率均与地上干重显著正相关，即国外引进品种整体的地上干重增长率最大，最高达48.08%，其次为我国育成型和地方型品种。固氮率也与饲草营养品质的产量显著正相关，接种根瘤菌可普遍提高紫花苜蓿粗蛋白产量，最高增长率达51.08%（P<0.05），降低中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维产量，最高分别降低40.55%和53.96%，可使饲草等级跃升1~2个等级。因此，固氮率对地上干重和饲草营养品质均会产生显著的积极影响，说明其在紫花苜蓿的产量提升和营养品质改善方面发挥着更为关键的作用，本研究结果为精准调控豆科植物-根瘤菌组合的固氮效应以及优化紫花苜蓿饲草品质提供了重要依据。

关键词: 紫花苜蓿, 根瘤菌, 固氮率, 苜蓿品种效应, 饲草品质

Abstract:

Inocculum of Sinorhizobium meliloti strain QL2 was applied to plants of eight alfalfa varieties （three imported varieties： WL168HQ， WL298HQ， and WL319HQ； three domestically bred varieties： Gannong No. 3， Gannong No. 5， and Gannong No. 9； and two local varieties： Qingshui and Longzhong） to clarify the differences in nitrogen fixation effects， with a view to improving the nodule formation and nitrogen fixation capacity of alfalfa and the efficiency of natural nitrogen utilization. Indicators such as nodule formation， nitrogen fixation， forage biomass， and nutritional quality were evaluated to study the differences in symbiosis， nitrogen fixation， and growth-promoting effects after inoculation with S. meliloti QL2. Results demonstrated that in domestically bred varieties， inoculating with S. meliloti QL2 significantly increased the weight of individual root nodules， as well as the root nodule diameter and the number of infected cells in the root nodules of by over 70% compared to both local and imported varieties. Regarding nitrogen fixation efficiency， the imported varieties （52.62% to 63.49%） and domestically bred varieties （53.30% to 62.41%） exhibited significantly higher fixation rates compared to local varieties （43.05% to 46.72%）. Hierarchical segmentation analysis showed that nodulation factors （the number of infected cells in the root nodules， the number of effective root nodules per plant， the single effective root nodule weight and root nodule diameter） and nitrogen fixation factors （nitrogenase activity， nitrogen fixation percentage and nitrogen fixation amount） explained 63% of the variation in the above-ground dry weight. Of the explained variation， 89.56% was contributed by nitrogen fixation factors， and only 13.55% by nodulation factors. A correlation analysis revealed that after inoculation with S. meliloti QL2， the nitrogen fixation percentage of different categories of variety was significantly positively correlated with above-ground dry weight. That is， the growth rate （as reflected by above-ground dry weight） of imported varieties was the largest compared with CK， of which WL319HQ-QL2 had the highest growth rate of 48.08 %， followed by domestic bred varieties and local varieties. The nitrogen fixation percentage was also significantly positively correlated with the forage nutritional quality. Inoculation with rhizobia generally increased the crude protein yield of alfalfa with the highest increase being 51.08% （P<0.05）， while reducing the yields of neutral detergent fiber and acid detergent fiber by 40.55% and 53.96%， respectively. These changes in nutritional composition resulted in an elevation of the forage quality score by 1 to 2 grades. In summary， a high nitrogen fixation rate has a significant positive impact on both above-ground dry weight and forage nutritional quality， meaning that it plays the critical role in improving the yield and nutritional quality of alfalfa. This study lays a foundation for development of materials to optimize nitrogen fixation efficiency in legume-rhizobia symbioses and improve alfalfa forage quality.

Key words: alfalfa, rhizobia, nitrogen fixation percentage, alfalfa variety effect, forage quality

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图/表 15

表1 供试紫花苜蓿品种

Table 1 Test alfalfa varieties

编号 Number	品种名 Variety name	学名 Scientific name	类型 Type	产地 Habitat	来源 Source
WL168	WL168HQ	M. sativa ‘WL168HQ’	国外引进品种 Foreign introduced varieties	美国 America	北京正道生态科技有限公司 Beijing Rytway Ecotechnology Co.， Ltd.
WL298	WL298HQ	M. sativa ‘WL298HQ’
WL319	WL319HQ	M. sativa ‘WL319HQ’
QS	清水苜蓿Qingshui	M. sativa ‘Qingshui’	地方品种 The local varieties	中国 China	甘肃农业大学草业生态系统教育部重点实验室 Key Laboratory of Grassland Ecosystem of Ministry of Education， Gansu Agricultural University
LZ	陇中苜蓿Longzhong	M. sativa ‘Longzhong’	地方品种 The local varieties	中国 China
G9	甘农9号Gannong No.9	M. sativa ‘Gannong No.9’	我国育成品种 Varieties bred in China	中国 China	甘肃农业大学草业生态系统教育部重点实验室 Key Laboratory of Grassland Ecosystem of Ministry of Education， Gansu Agricultural University
G3	甘农3号Gannong No.3	M. sativa ‘Gannong No.3’
G5	甘农5号Gannong No.5	M. sativa ‘Gannong No.5’

表2 粗饲料质量等级标准

Table 2 Grade standard of roughage quality

分级Grade	GI值GI value （MJ·d^-1）
特级 Extra grade	>53.68
1级 First grade	33.50~53.68
2级 Second grade	19.20~29.29
3级 Third grade	11.10~16.44
4级 Fourth grade	6.28~10.67
5级Fifth grade	<6.28

图1 不同共生组合结瘤能力差异G3：甘农3号；G5：甘农5号；G9：甘农9号；WL168：WL168HQ；WL298：WL298HQ； WL319：WL319HQ；QS：清水苜蓿；LZ：陇中苜蓿；不同小写字母表示差异显著（P<0.05），下同。G3： Gannong No.3； G5： Gannong No.5； G9： Gannon No.9； WL168： WL168HQ； WL298： WL298HQ； WL319： WL319HQ； QS： M.sativa Qingshui； LZ： M.sativa Longzhong. The different letters indicate the significant difference （P<0.05）， the same below.

Fig.1 The nodulation ability of different symbiotic combinations was different

图2 不同共生组合根瘤切片和根瘤内部被侵染的根瘤细胞数目差异（a）为不同共生组合的根瘤照片以及根瘤甲苯胺蓝染色切片；（b）为不同共生组合根瘤直径；（c）为不同共生组合根瘤中被侵染细胞数目；（d）为不同共生组合的固氮酶活性。（a） shows photos of root nodules of different symbiotic combinations and toluidine blue staining sections of root nodules；（b） is the root nodule diameter of different symbiotic combinations；（c） shows the number of infected cells in nodules of different symbiotic combinations；（d） shows the nitrogenase activity of different symbiotic combinations.

Fig. 2 Differences in the number of infected nodule cells in nodule sections and nodules of different symbiotic combinations

图3 不同共生组合固氮能力差异（a）为不同共生组合15N处理后（室内砂培）的全株氮含量；（b）为不同共生15N的原子百分超；（c）表示不同共生组合的固氮率；（d）为不同共生组合的固氮量。（a） is the whole plant nitrogen content of different symbiotic combinations after 15N treatment （indoor sand culture）；（b） shows the atomic percentage excess of different symbiotic 15N；（c） shows the nitrogen fixation percentage of different symbiotic combinations；（d） is the amount of nitrogen fixation in different symbiotic combinations.

Fig. 3 The difference of nitrogenase activity and nitrogen fixation in different symbiotic combinations

图4 不同共生组合与对照地上、地下氮积累量差异（a）表示不同品种紫花苜蓿接菌处理和对照组地上氮积累量；（b）表示不同品种紫花苜蓿接菌处理与对照组地下氮积累量；（c）表示接菌处理较对照组的地上、地下氮积累量的增长率。（a） shows the above-ground nitrogen accumulation of different varieties of alfalfa and CK；（b） shows the under-ground nitrogen accumulation of different varieties of alfalfa and CK；（c） shows the growth rate of above-ground and under-ground nitrogen accumulation in the inoculated treatment compared with CK.

Fig.4 The difference of aboveground and underground nitrogen accumulation between different symbiotic combinations and CK

图5 不同共生固氮组合地上、地下干重和较CK增长率的差异（a）代表不同品种紫花苜蓿接菌处理与对照组地上干重；（b）表示不同品种紫花苜蓿接菌处理与对照组地下干重；（c）表示接菌处理较对照组的地上、地下干重的增长率。（a） represents the above-ground dry weight of different varieties of alfalfa inoculated with CK；（b） shows the under-ground dry weight of different varieties of alfalfa and CK；（c） shows the growth rate of the above-ground and under-ground dry weight of the inoculated treatment compared with CK.

Fig.5 The aboveground and underground dry weight of different symbiotic nitrogen fixation combinations and growth rate difference compared with CK

表3 不同共生组合地上、地下生物量变化类型

Table 3 The change types of aboveground and underground biomass in different symbiotic combinations

类型 Type	特点 Feature	品种（接菌后） Varieties （after inoculation）
地上积累型Above-ground accumulation type	地上干重增加，地下干重无显著差异。Above-ground dry weight increased significantly， while under-ground dry weight showed no significant difference.	WL298
地上、地下积累型Above-ground and under-ground accumulation type	地上、地下干重增加。The dry weight of both above-ground and under-ground exhibited an increase.	G3、WL319
地下积累型Under-ground accumulation type	地上干重无显著差异，地下干重显著增加。There was no significant difference in above-ground dry weight， while under-ground dry weight increased significantly.	WL168
零增长型Zero-growth type	地上、地下干重均无显著差异。The above-ground and under-ground dry weights did not exhibit any statistically significant difference.	QS
地上、地下消耗型Above-ground and under-ground depletion type	地上、地下干重减少。The above-ground and under-ground biomass demonstrated a substantial reduction.	G9
地下消耗型Under-ground depletion type	地上干重无显著差异，地下干重减少。The above-ground biomass did not exhibit any significant difference， whereas a notable decrease was observed in the under-ground biomass.	G5、LZ

图6 不同共生组合粗蛋白含量和较CK增长率的差异（a）代表不同品种紫花苜蓿接菌处理与对照组粗蛋白含量；（b）表示接菌处理较对照组的粗蛋白含量的增长率；（c）表示不同品种紫花苜蓿接菌处理与对照组粗蛋白产量；（d）表示接菌处理较对照组的粗蛋白产量的增长率。（a） represents the crude protein content of different varieties of alfalfa inoculated with bacteria and CK；（b） shows the growth rate of crude protein content in the inoculated treatment compared with CK；（c） shows the crude protein yield of different varieties of alfalfa inoculated with bacteria and CK；（d） shows the growth rate of crude protein production in the inoculated treatment compared with CK.

Fig.6 The crude protein content in different symbiotic combinations and growth rate difference compared with CK

图7 不同共生组合NDF、ADF含量差异（a）代表不同品种紫花苜蓿接菌处理与对照组中性洗涤纤维含量；（b）表示接菌处理较对照组的中性洗涤纤维含量的增长率；（c）表示不同品种紫花苜蓿接菌处理与对照组酸性洗涤纤维含量；（d）表示接菌处理较对照组的酸性洗涤纤维含量的增长率；（e）代表不同品种紫花苜蓿接菌处理与对照组中性洗涤纤维产量；（f）表示接菌处理较对照组的中性洗涤纤维产量的增长率；（g）表示不同品种紫花苜蓿接菌处理与对照组酸性洗涤纤维产量；（h）表示接菌处理较对照组的酸性洗涤纤维产量的增长率。（a） represents the NDF content of different varieties of alfalfa inoculated with bacteria and CK；（b） shows the growth rate of NDF content in the inoculated treatment compared with CK；（c） shows the ADF content of in different varieties of alfalfa inoculated with bacteria and CK；（d） shows the growth rate of ADF content in the inoculated treatment compared with CK；（e） represents the NDF yield of different varieties of alfalfa inoculated with bacteria and CK；（f） shows the growth rate of NDF yield in the inoculated treatment compared with CK；（g） shows the ADF yield of different varieties of alfalfa inoculated with bacteria and CK；（h） shows the growth rate of ADF yield in the inoculated treatment compared with CK. NDF： Nuetral datergent fiber； ADF： Acid detergent fiber.

Fig. 7 Difference of NDF and ADF content in different symbiotic combinations

图8 不同共生组合地上、地下部共生效应的差异（a）代表不同共生组合的地上共生效应；（b）代表不同共生组合的地下共生效应。（a） represents the above-ground symbiotic effect of different symbiotic combinations；（b） shows the under-ground symbiotic effect representing different symbiotic combinations.

Fig. 8 Differences in symbiotic effects between aboveground and underground parts of different symbiotic combinations

图9 共生固氮因子对地上干重的相对贡献NFA：固氮量；NFP：固氮率；NITC：被侵染根瘤细胞数量；SERNW：单颗有效根瘤重；NA：固氮酶活性；RND：根瘤直径；NERNPP：单株有效根瘤数量。*：P<0.05，**：P<0.01，***：P<0.001。NFA： Nitrogen fixation amount； NFP： Nitrogen fixation percentage； NITC： The number of infected nodule cells； SERNW： Single effective root nodule weight； NA： Nitrogenase activity； RND： Root nodule diameter； NERNPP： Number of effective root nodules per plant. *：P<0.05， **：P<0.01， ***： P<0.001.

Fig.9 Relative contribution of symbiotic nitrogen fixation factors to aboveground dry weight

图10 不同共生组合较CK饲草品质的差异及评价（a）代表不同品种紫花苜蓿接菌处理与对照组的干物质随意采食量；（b）表示不同品种紫花苜蓿接菌处理与对照组的产乳净能值；（c）表示不同品种紫花苜蓿接菌处理与对照组的饲草分级指数。（a） represents dry matter intake of different varieties of alfalfa inoculated with bacteria and CK；（b） shows the net energy for lactation of different varieties of alfalfa inoculated with bacteria and CK；（c） shows the forage grading index of different varieties of alfalfa inoculated with bacteria and CK. VDMI：干物质随意采食量Voluntary dry matter intake；NEL：产乳净能值Net energy for lactation；GI：饲草分级指数Grading index.

Fig.10 The difference and evaluation of forage quality of different symbiotic combinations compared with CK

表4 8个共生组合的GI级别

Table 4 GI grades of 8 symbiotic combinations

共生组合 Symbiotic combinations	GI值 GI value （MJ·d^-1）	GI级别 GI grade
G3-QL2	58.97	特级 Extra grade
G5-QL2	55.47	特级 Extra grade
G9-QL2	55.22	特级 Extra grade
WL168-QL2	62.12	特级 Extra grade
WL298-QL2	60.90	特级 Extra grade
WL319-QL2	56.19	特级 Extra grade
QS-QL2	47.10	1级 First grade
LZ-QL2	56.09	特级 Extra grade

图11 供试紫花苜蓿接种根瘤菌QL2共生固氮效应指标的相关性（a）为所有供试紫花苜蓿接种根瘤菌QL2共生固氮效应指标的相关性分析；（b）表示我国育成紫花苜蓿品种接种根瘤菌QL2共生固氮效应指标的相关性分析；（c）表示国外引进紫花苜蓿品种接种根瘤菌QL2共生固氮效应指标的相关性分析；（d）表示地方型紫花苜蓿品种接种根瘤菌QL2共生固氮效应指标的相关性分析。NFP：固氮率； SNF：共生固氮；NERNPP：单株有效根瘤数；SERNW：单颗有效根瘤重；RND：根瘤直径；NITC：被侵染根瘤细胞数量；NA：固氮酶活性；NFA：固氮量；AGSE：地上共生效应；UGSE：地下共生效应； AGDW：地上干重； UGDW：地下干重；AGTNA：地上氮积累量；UGTNA：地下氮积累量；CPY：粗蛋白产量；NDFY：中性洗涤纤维产量；ADFY：酸性洗涤纤维产量； GI：饲草分级指数。图中*，**和***分别表示在0.05，0.01和0.001水平下差异显著。（a） shows the correlation analysis of symbiotic nitrogen fixation effect indexes of all tested alfalfa inoculated with rhizobia QL2；（b） shows the correlation analysis of symbiotic nitrogen fixation effect indexes of alfalfa varieties inoculated with rhizobia QL2 in China；（c） shows the correlation analysis of symbiotic nitrogen fixation effect index of alfalfa varieties introducted from abroad and inoculated with rhizobia QL2；（d） shows the correlation analysis of symbiotic nitrogen fixation effect indexes of local alfalfa varieties introducted from abroad and inoculated with rhizobia QL2. NFP： Nitrogen fixation percentage； SNF： Symbiotic nitrogen fixation； NERNPP： Number of effective root nodules per plant； SERNW： Single effective root nodule weight； RND： Root nodule diameter； NITC： The number of infected nodule cells； NA： Nitrogenase activity； NFA： Nitrogen fixation amount； AGSE： Aboveground symbiotic effect； UGSE： Underground symbiotic effect； AGDW： Aboveground dry weight； UGDW： Underground dry weight； AGTNA： Aboveground nitrogen accumulation； UGTNA： Underground nitrogen accumulation； CPY： Crude protein yield； NDFY： Neutral detergent fiber yield； ADFY： Acid detergent fiber yield； GI： Forage grading index. In the figure， *， ** and *** represent significant differences at 0.05，0.01 and 0.001 levels， respectively.

Fig. 11 Correlation of symbiotic nitrogen fixation （SNF） effect indexes of alfalfa inoculated with rhizobia QL2

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