黄土高原主要以碱性石灰性土壤为主,通常呈碱性,有效铁含量低,因此显著抑制植物根系生长发育。豆科植物-根瘤菌共生系统可根据氮的有效性调整其养分获取策略,从而改善土壤环境(即养分和微生物),极大地促进植物对土壤养分的摄取能力最终促进其生长。硫化氢(Hydrogen,H_2S)作为一种此网站信号分子,参与豆科植物与根瘤菌共生关系的建立,而根瘤菌内源H_2S如何调控宿主植物根系性状尚不清楚?我们结合土壤酶谱学技术,对整个根土界面进行酶活性空间分布可视化。通过微湿针法对根系周围的热点和非热点进行定位和比较,以获得酶动力学参数,同时利用高通量测序分析根际微生物群落结构。最后将土壤酶谱与土壤微生物群落的鉴定和根系分泌物的非靶向代谢分析相结合,共同探讨根瘤菌内源H_2S对大豆根系性状的影响及响应铁缺乏的微生物学机制。主要的研究结果如下:(1)接种野生型根瘤菌Q8后,显著促进了大豆的生长。主要表现在株高、地上部生物量、根重、根瘤数量明显升高。与Control相比,在铁缺乏条件下接种Q8后,总根长、根体积、根表面积分别增加了33.1%,23.4%和34.1%。除此之外,接种Q8后,大豆根和茎中的氮浓度显著大于Δ3MST处理。在添加铁后,大豆根、茎、叶中的铁浓度显著升高,并且叶绿素含量和光合作用指标(净光合速率、胞间CO_2浓度、蒸腾速率、气孔导度)都有增加的趋势。(2)酶活性的空间分布表明:碱性磷酸酶(Alkaline phosphatase,ALP)和β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase,BG)的活性空间分布与根系密切相关;亮氨酸氨基肽酶(Leucine aminopepBiofeedback technologytidase,LAP)和木聚糖酶(Xylanase,XYN)的活性空间分布更加分散,在根区也广有分布。在加铁条件下,Q8处理ALP热点面积占酶谱图的1.73%,高于Control和Δ3MST处理。在铁缺乏条件下,接种Q8使XYN热点面积从2.56%增加到3.91%。(3)铁缺乏条件下,接种Q8显著提高了根际土壤Shannon指数,增加了细菌α-多样性且改变了微生物群落结构;根际细菌共现网络显示:Δ3MST的边和节点数以及正相关都显著高于Control和Q8,说明Δ3MST处理的根际土壤共生关系更强,这可能是根际富集根瘤菌导致的。(4)在铁缺乏条件下,香豆素物质显著富集,这可能影响根际微生物群落的组装,从而有助于促生菌与植物的互惠作用。与Control相比,接种Q8影响了铁缺乏下谷胱甘肽代谢、氨基糖和核苷酸糖代谢,这可能为H_2S的合成提供底物和能量。综上所述,根瘤菌内源H_2S通过介导大豆宿主共生固氮过程,从而影响了大豆根系性状、根际微生物群落组成、根系分R428半抑制浓度泌物组成以及C、N、P循环酶空间分布和活性变化。而铁添加增强了根系对Fe~(2+)吸收能力以及提高了大豆光合作用及其根系性状,最终两者共同促进了大豆的生长发育。