利用生物固氮替代化肥以期达到减肥增效目的是我国农业生产绿色转型的重要手段。前期研究发现,添加腐熟牛粪后,紫花苜蓿(Medicago sativa L.)根瘤结瘤率显著提高;此外根瘤体积显著高于化肥添加。这一结果表明腐熟牛粪对紫花苜蓿根瘤菌的结瘤与根瘤生长发育具有促生效应。基于以上发现,研究腐熟牛粪添加处理对紫花苜蓿与其根瘤表型、生理、foetal immune response根际微生物变化的影响,有助于阐明腐熟牛粪促生紫花苜蓿根瘤生长发育的机制,为畜牧业粪污高效利用提供依据。本研究以紫花苜蓿为供试植物材料,设置腐熟牛粪、粪渣、全牛粪三个处理,在温室盆栽条件下开展了腐熟牛粪对紫花苜蓿的结瘤促生机制的研究。通过测定各处理下紫花苜蓿的生产性能指标、结瘤和生理指标,分析根部不同区室微生物群落结构以及根际和根瘤代谢物的变化特征,探究了腐熟牛粪养分因子对紫花苜蓿不定型根瘤的促生机制。研究结果如下:(1)腐熟牛粪碳氮比(C/N)与最大根瘤重极显著正相关(P<0.01);速效磷(AP)含量与结瘤指标显著正相关(P<0.05),表明C/N和AP是腐熟牛粪促进紫花苜蓿结瘤率及其促生能力的关键因子。粪渣显著提高紫花苜蓿根瘤分生点数量、侵染区侵染线数量、侵染线中根瘤菌数量、固氮区侵染细胞比例、侵染细胞中类菌体密度。(2)腐熟牛粪显著影响根部各区室微生物群落结构。腐熟牛粪添加通过养分因子(有机质、磷的输入与C/N的改变)驱动细菌群落构建;C/N与AP是粪渣添加处理下根部各区室细菌群落构建的关键驱动要素。根瘤内关键/敏感OTU与养分因子显著相关(selleckchem PUN30119P<0.01)。(3)粪渣显著提高细菌共现网络的拓扑属性(Nodes=1321,Edges=13350);不同区室细菌共现网络模块与根瘤指标的回归分析表明:根区细菌模块1、3与结瘤指标显著正相关(R~2>0.45),根际细菌模块2、3与结瘤指标显著正相关(P<0.05),根部细菌模块2、6、8与结瘤指标显著正相关(R~2>0.45),根瘤细菌模块1、6、9与结瘤指标显著正相关(R~2>0.45)。(4)与对照相比,粪渣添加处理显著提高碳代谢、异黄酮生物合成、黄酮和黄酮醇的生物合成代谢通路在根际的富集,以及碳代谢、氨基酸的生物合成代谢通路在根瘤内的富集。联合分析结果表明,与根际富集的两个微生物属显著正相关的代谢物质主要富集在碳代谢、激素(生长素、细胞分裂素等)前体合成中,与根瘤富集的微生物属显著正相关的代谢物主要集中在脂类和生长调节物质、能量转运、相关氨基酸代谢三大类中。(5)结构方程模型进一步表明,腐熟牛粪养分因子促进总根瘤数、总根Gefitinib瘤重、最大根瘤重,该模型对总根瘤数、总根瘤重、最大根瘤重的平均预测能力较高,其解释度分别为85.46%、79.29%、82.52%。综上,腐熟牛粪通过C/N和AP显著促进了紫花苜蓿根区与根际微生物群落结构,富集了根际分泌物中碳代谢及黄酮类物质,进而提高结瘤率;并通过优化根瘤内微生物群落结构,富集根瘤内碳代谢及生长调节类物质以促进根瘤后期生长并延缓根瘤衰老。C/N和AP对根际和根瘤的作用协同促进了根瘤的优质生长,增强了固氮效果,为豆科植物生长提供充足的氮源,并提高了植物光合效率,进一步促进了生物固氮效率。研究结果对于高效利用家畜粪污、实现紫花苜蓿人工草地的高效固氮管理具有重要的理论价值和实践意义。