干旱地区农业研究
AgriculturalResearchintheAridAreas
文章编号:1000 ̄7601(2020)02 ̄0062 ̄07doi:10.7606/j.issn.1000 ̄7601.2020.02.09
Vol.38No.2Mar.2020
松嫩草原盐碱土细菌多样性分析
向君亮2ꎬ刘 权2ꎬ申永瑞2ꎬ王佳琦2ꎬ张兴梅1ꎬ王 鹏1ꎬ殷奎德1
(1.黑龙江八一农垦大学农学院ꎬ黑龙江大庆163319ꎻ2.黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院ꎬ黑龙江大庆163319)
摘 要:以松嫩盐碱草原3种不同盐碱程度的盐碱土为材料ꎬ应用高通量测序技术ꎬ研究了3种不同程度盐碱土壤的细菌群落结构ꎮ结果表明:3种盐碱土的理化性质差异显著(P<0.05)ꎬpH值、碱化度随着盐碱化程度增加而增大ꎬ而碱解氮、速效钾和有机质含量随着盐碱化程度增加而降低ꎻ3种盐碱土共获得2841个OTUꎬ分属于39个细菌门ꎬ其中酸杆菌门、变形菌门等10个菌门是盐碱土中最主要的细菌门类ꎻ轻度盐碱土中酸杆菌门占主导地位ꎬ相对丰度为32.28%ꎬ中度盐碱土中变形菌门占主导地位ꎬ相对丰度为19.87%ꎬ重度盐碱土中放线菌门占主导地位ꎬ相对丰度为22.57%ꎻRDA分析表明ꎬ酸杆菌门、硝化螺旋菌门、广古菌门、TM7等的相对丰度与碱解氮、有机质以及速效钾含量呈正相关ꎬ疣微菌门的相对丰度与有效磷含量呈正相关ꎬ放线菌门、浮霉菌门、拟杆菌门、芽单胞菌门、厚壁菌门的相对丰度与pH值、碱化度呈正相关ꎮ
关键词:土壤盐碱化程度ꎻ细菌群落结构ꎻ土壤理化性质ꎻ植被覆盖ꎻ松嫩草原中图分类号:S182 文献标志码:A
Variationofbacterialcommunitiesinthesaline ̄alkaline
soilofmeadowonSongnenPlain
XIANGJunliang2ꎬLIUQuan2ꎬSHENYongrui2ꎬWANGJiaqi2ꎬ
2.CollegeofLifeScienceandTechnologyꎬHeilongjiangBayiAgriculturalUniversityꎬDaqingꎬHeilongjiang163319ꎬChina)
(1.CollegeofAgricultureꎬHeilongjiangBayiAgriculturalUniversityꎬDaqingꎬHeilongjiang163319ꎬChinaꎻ
ZHANGXingmei1ꎬWANGPeng1ꎬYINKuide1
whichwasobtainedatthreedifferentdegreesofsaline ̄alkalisoilsonSongnensaline ̄alkalisteppe.Theresultsshowedthatthephysicalandchemicalpropertiesofthethreesaline ̄alkalisoilsweresignificantlydifferent.ThepHandorganicmatterdecreased.Atotalof2841OTUswereobtainedfromthethreesaline ̄alkalisoilsꎬbelongingto39bacterialphylaꎬandthedominantphylaatthedifferentsaline ̄alkalisteppesꎬincludingAcidobacteriaꎬProteobac ̄teriaꎬCrenarchaeotaꎬActinobacteriaꎬChloroflexiꎬPlanctomycetesꎬBacteroidetesꎬGemmatimonadetesꎬVerrucomi ̄mainbacteriainSSꎬMSꎬandHSgroupsꎬrespectively.TheresultsofRDAindicatedthatAcidobacteriaꎬCrenar ̄chaeotaꎬNitrospiraeꎬEuryarchaeotaꎬandTM7positivelycorrelatedtothealkalinenitrogenꎬorganicmatteranda ̄vailablepotassium.Verrucomicrobiawaspositivelycorrelatedtotheavailablephosphorus.ActinobacteriaꎬPlancto ̄mycetesꎬBacteroidetesꎬGemmatimonadetesꎬandFirmicuteshadthepositiverelationshipwiththepHandESP.vegetationcoverdensityꎻSongenPlain
crobiaꎬNitrospirae.Acidobacteria(32.28%)ꎬProteobacteria(19.87%)ꎬandActinobacteria(22.57%)werethe
Abstract:Thehigh ̄throughputsequencingtechnologywasusedtoanalyzethebacteriacommunitystructureꎬ
andalkalinityincreasedwiththeincreaseofsalinizationꎬwhilethecontentofalkalinitrogenꎬavailablepotassiumꎬ
Keywords:salinizationdegreeofsoilꎻbacterialcommunitystructureꎻsoilphysicalandchemicalpropetiesꎻ
据统计ꎬ世界上有约1/3的土地受到盐碱化影响ꎬ中
土壤盐碱化是全球面临的主要环境问题之一ꎮ
收稿日期:2019 ̄04 ̄27 修回日期:2020 ̄01 ̄14
基金项目:黑龙江省科学基金资助项目(QC2017020)ꎻ黑龙江省地方特色学科项目“杂粮生产与加工”
作者简介:向君亮(1993-)ꎬ男ꎬ四川广汉人ꎬ硕士研究生ꎬ研究方向为植物-微生物互作ꎮE ̄mail:1002669701@qq.com通信作者:殷奎德(1964-)ꎬ男ꎬ黑龙江虎林人ꎬ博士ꎬ教授ꎬ主要从事植物-微生物互作研究ꎮE ̄mail:yinkuide@163.com
第2期 向君亮等:松嫩草原盐碱土细菌多样性分析
发利用极端环境微生物资源具有重要意义ꎮ
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国有367万hm2盐碱地[1]ꎬ其主要分布于东北平原、华北平原、西北沙漠及沿海地区[2]ꎮ松嫩平原地处干旱-半干旱地区ꎬ是世界三大苏打型盐渍区之一ꎬ其受盐害土壤超过30万hm2ꎮ松嫩盐碱地不同于其他地方的特点是ꎬ其土壤中含大量的碳酸钠和碳酸氢钠ꎬ同时伴随着高pH值、高钠吸收率及表层土高度碱化[3]ꎮ由于受到化学性质的影响ꎬ土壤的物理性质变得很差ꎬ例如土壤粘度大ꎬ透气、透水性差等[4]ꎮ随着世界人口的日益增加和城市化进程的推进ꎬ耕地面积逐年减少ꎬ在这样的双重压力1 材料与方法
1.1 样品采集
采样点位于黑龙江省大庆市一处未经人为破坏的盐碱草原(46°36′23″Nꎬ125°10′44″E)ꎮ根据植被密度和地面白色碱斑的程度ꎬ将其划分为3种类型:地表无白色碱斑ꎬ且植被生长茂盛的地块为轻度盐碱化土(SS)ꎻ地表有少量白色碱斑ꎬ且有稀疏植被生长的地块为中度盐碱化土(MS)ꎻ地表有大量下ꎬ有效开发利用盐碱地资源ꎬ是维持农业的可持续发展ꎬ进一步挖掘盐碱化地区农业发展潜力的一条重要出路ꎮ
由于土壤中积累大量的Na+存在这里的微生物需要面临高盐和高、CO23-和HCO-
pH值的双重3ꎬ生
影响ꎮ目前研究主要集中在盐土或者碱土中的微生物多样性分析ꎮ如Lozupone等[5]研究了陆地和水生环境中细菌群落的多样性ꎬ发现盐度是影响细菌群落组成的主要因素ꎻCanfora等[6]研究地中海半干旱地区极端高盐度土壤微生物群落结构和生物多样性发现ꎬ古菌群落的丰度和多样性与土壤盐度呈正相关ꎬ而细菌群落的多样性和丰度随盐度梯度的增加而呈下降趋势ꎻRath等[7]研究了不同盐渍程度下的细菌多样性发现ꎬ微生物群落耐盐性与土壤盐度密切相关ꎬ盐分对细菌群落有很强的过滤作用ꎬ高盐环境对monadacaeaSalinisphaeraceaeꎬXanthomonadaceae以及Altero ̄而对于松嫩苏打盐碱地这种高盐等细菌科的物种具有较强的富集作用、高pH值同时作用的ꎮ然土壤微生物群落结构及功能的研究还鲜有报道ꎮ
相比于磷脂脂肪酸法和PCR-DGGE法ꎬ高通量测序技术具有更多的优点ꎬ其测序深度高ꎬ可以检测到那些不可培养的微生物群落ꎬ能更加真实地揭示原位环境中微生物群落组成ꎬ因此ꎬ在研究环境微生物多样性中应用越来越广泛ꎮZhou等[8]利用高通量测序法研究了不同退化程度下青藏高原高寒草原土壤微生物群落的变化ꎬ结果发现青藏高原退化草原土壤中细菌群落以放线菌门为主ꎬ其次是变形菌门ꎻ牛世全等
[9]
发现ꎬ河西走廊盐碱土壤中
变形菌门占主导地位ꎬ其余主要的细菌群落依次是放线菌门、拟杆菌门、酸杆菌门等9个菌门ꎮ本研究采用高通量测序技术对3种不同程度盐碱草原土壤细菌群落结构进行分析ꎬ旨在揭示不同盐度和碱度协同作用下的草原土壤微生物群落结构ꎬ对了解松嫩草原苏打盐碱土壤细菌群落结构的多样性及开
白色碱斑(HS)ꎮ选取5个点2017ꎬ且无植被覆盖的地块为重度盐碱化土ꎬ用铁锹采取地面年9月12日采样0ꎬ~每个类型土壤随机20cm土层深处土样ꎬ挑出枯草、草根及石块ꎬ混匀ꎬ装在无菌塑料袋中ꎬ置于干冰中运回实验室ꎮ将土壤分为两份ꎬ一份风干-后用于土壤理化性质的测1.2 80℃植被覆盖密度统计
储存用于土壤微生物多样性测定定ꎮ
ꎬ另一份于
在草原上分别选取地表无白色碱斑ꎬ且植被覆
盖度良好的地块以及地表有少量白色碱斑ꎬ且有稀疏植被覆盖的地块各mꎬ统计样方内植被植株数量5块ꎬ每块面积取ꎬ求得平均值后换算为0.5m×0.51.3 每平方米内植株数量土壤土壤性质测定ꎮ
pH值、碱解氮、有效磷、速效钾、有机质、
碱化度、可溶性盐含量测定参照吕贻忠等[10]燕[11]方法进行并稍加改进ꎮ
、姜海1.4 采回的土样按照土壤基因组DNA提取与ꎬPCR扩增DNA提取试剂盒
2000操作说明提取土壤细菌基因组总DNAꎬ用NanoDrop
测基因组紫外微量分光光度计及GCCAGCMGCCGCGGDNA的质量与完整性1%ꎻ琼脂糖凝胶电泳检MTTTRAGTTT)区ꎬ扩增完成后以扩增土壤细菌的)和907R利用引物515F(GT ̄2%琼脂糖凝胶电泳检测扩增结果16S(rDNACCGTCAATTC ̄的V4-V5ꎬ
1.5 利用DNA测序与分析
纯化试剂盒对PCR产物进行纯化ꎮ
纯化后的PCR产物由深圳华大基因股份有限
公司进行高通量测序ꎮ测序完成后ꎬ在生物信息学分析之前对原始数据进行处理ꎬ通过去除被适配器、模糊碱基污染的序列以便获得更准确和可靠的结果ꎮ使用FLASH和Trimmomatic软件对序列进行20优化以下的碱基ꎬ方法和参数如下ꎬ设置25:(1)bp的窗口过滤readsꎬ尾部质量值
均质量值低于20ꎬ从窗口开始截去后端碱基如果窗口内的平ꎬ过滤64
干旱地区农业研究 第38卷
84.59%ꎬ轻度盐碱土的碱化度为23.28%ꎬ碱化度均大于20%ꎬ为碱土ꎮ3种土样无论是在可溶性盐总量还是碱化度指标上均具有显著差异ꎮ在肥力指标方面ꎬ随着盐碱程度的提高ꎬ碱解氮、速效钾、有效磷和有机质的含量降低ꎬ轻度盐碱土的碱解氮、速效钾、有效磷和有机质含量最高ꎬ分别为303mg重度盐碱土各项肥力指标均为最低ꎮ
kg-1、402mgkg-1、20.3mgkg-1、32.70gkg-1ꎬ2.3 土壤微生物群落高通量测序分析
质控后25bp以下的readsꎬ去除含N碱基的readsꎻ(2)根据PEreads之间的overlap关系ꎬ将成对reads拼接成一条序列ꎬ最小overlap长度为10bpꎻ(3)拼接序列的overlap区允许的最大错配比率为0.2ꎬ筛选不符合序列ꎻ(4)根据序列首尾两端的barcode和引物区分样品ꎬ并调整序列方向ꎬbarcode允许的错配数为0ꎬ最大引物错配数为2ꎻ经过优化后的数据利用QIIME进行质控过滤以及OTU聚类ꎬ聚类相似度为0.97ꎬ聚类完成后在Silva数据库中进行比对ꎬ对各个样本的OTU在各分类等级上的群落组成进行注释ꎮ
2 结果与分析
(a)所示ꎬ稀释曲线趋于平缓ꎬ说明测序趋于饱和ꎬ所取序列数能较为真实地反映出样本中的细菌群落ꎮ同时物种覆盖指数表明ꎬ测序数据能包含样品中99%以上的物种ꎬ能较好地反映出样品中的细菌群落组成ꎬ但仍然有少量细菌可能未被发现ꎮ
如图2(b)所示ꎬ3组样本共得到2841个OTUꎬ其中SS、MS和HS组各有1462、1423、1030个OTUꎻSS组中特有的OTU为914个ꎬMS组中特有的OTU为565个ꎬHS组中特有的OTU为476个ꎮ通过对各样本中的OTU数目进行分析后发现ꎬ3种不同盐碱程度的盐碱土OTU数目SS>MS>HSꎬ说明轻度盐碱土的细菌类群最为丰富ꎬ重度盐碱土中细菌类群最少ꎻSS组与HS组共有OTU仅为216个ꎬ说明这两
经过测序分析ꎬ3组土壤样品的稀释曲线如图2
2.1 植被覆盖密度调查
盐碱地面植物的覆盖与生长状况可以直接反映出土壤环境的好坏ꎮ通过对0.5m×0.5m样方内的植株数量进行统计ꎬ经换算后结果如图1所示ꎮ3种盐碱地的植被覆盖密度明显不同ꎬ轻度盐碱土地块(SS)植株数量最多ꎬ覆盖密度最大ꎬ为2985株m-2ꎬ中度盐碱土地块(MS)覆盖密度为880株的差异可能是由于土壤的pH值、含盐量及养分等m-2ꎬ重度盐碱土块(HS)无植被生长ꎮ植被覆盖度
2.2 土壤理化性质分析
因素造成的ꎮ
对土壤的理化性质及肥力指标进行了测定ꎬ结
果如表1所示ꎮ土样SS的pH值为8.24ꎬMS的pH值为9.52ꎬHS的pH值为10.20ꎬ3种土样的pH值均大于8ꎬ是典型的碱土ꎮ随土壤盐碱化加重pH值逐渐增大ꎬ这可能与其含盐种类、含盐量及碱化度有关ꎬ也有可能是轻度盐碱土和中度盐碱土上有植物长期生长ꎬ植物根系分泌的有机酸及植物残体的分解降低了土壤的pH值ꎮ3个类型的土壤中ꎬ中度盐碱土的盐含量最高ꎬ达到1.43%ꎬ轻度盐碱土含盐量最低为0.30%ꎮ在碱化度上ꎬ随着盐碱程度的加重ꎬ碱化度也随之增加ꎬ重度盐碱土的碱化度最大ꎬ为
注:图中不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)ꎮ下同ꎮ
Note:Differentlowercaselettersmeantsignificantdifferentamongsoilsamples(P<0.05).Thesamebelow.
图1 不同盐碱地植被密度统计
Fig.1 Vegetationcoveragedensityindifferentsaline ̄alkaliland
表1 松嫩平原不同盐碱化土壤理化性质
土壤样品SoilsampleMSHSSS
可溶性盐含量/%Solublesalt
Table1 StatisticsofsoilphysicalandchemicalpropertiesofSongnenPlain
pH9.52±0.07b8.24±0.04c
0.30±0.04c0.85±0.06b1.43±0.05a
碱化度/%碱解氮/(mgkg-1)速效钾/(mgkg-1)有效磷/(mgkg-1)ExchangesodiumAlkali ̄hydrolyzableAvailableAvailablepercentagenitrogenpotassiumphosphorus23.28±0.97c303±3a402±4a20.3±0.6a77.29±0.75b84.59±0.59a
56±2b50±2b
320±6b268±6c
18.6±0.3b2.9±1.0c
有机质/(gkg-1)
Organicmatter32.70±1.61a6.47±0.60b1.56±0.26c
10.20±0.03a
注:不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)ꎬ下同ꎮ
Note:Differentlowercaselettersmeantsignificantdifferentamongsoilsamples(P<0.05).Thesamebelow.
第2期 向君亮等:松嫩草原盐碱土细菌多样性分析
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图2 盐碱土壤样品稀释曲线与OTU数量韦恩图
Fig.2 RarefactioncurveandVenndiagramofOTUnumberinsaline ̄alkalisoilsamples
组土壤的细菌类群一致性最低ꎬ差异较为明显ꎮ从整体来看ꎬ3种盐碱土各自特有的OTU数目占总OTU数的比例较大ꎬ虽然有一部分一致的细菌群2.4 细菌群落结构分析
PCA分析也得到了一致的结果(图3)ꎮ
落ꎬ但是三者之间的细菌群落差异还是较为明显ꎬ
通过对3组盐碱土样细菌16SrDNAV4-V5区
进行测序、比对后发现ꎬ共有39个菌门被检测出来(图4a)ꎬ其中SS组中检测到32个菌门ꎬMS组检测到34个菌门ꎬHS组中检测到31个菌门ꎮ酸杆菌门(Acidobacteria)、变形菌门(Proteobacteria)、泉古菌门(Crenarchaeota)、放线菌门(Actinobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、浮霉菌门(Planctomycetes)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、芽单胞菌门(Gemmatimonade ̄tes)、疣微菌门(Verrucomicrobia)以及硝化螺旋菌门
图3 样本主成分分析Fig.3 PCAofsoilsamples
聚为一类ꎮ盐单胞菌属(Halomonas)、浮霉菌属(Planctomyces)、Rubricoccus的相对丰度与盐碱土的盐碱程度呈正相关ꎬCandidatus_Entotheonella、Candi ̄datus_Nitrososphaera的相对丰度与盐碱土的盐碱程度呈负相关ꎬ而土壤杆菌属(Agrobacterium)、纤维弧菌属(Cellvibrio)、Euzebya、Pontibacter、Rubrobacter主要在MS组中聚集ꎮSS组与MS组中相对丰度最大2.18%)ꎬ此外ꎬRubrobacter(1.29%)、Euzebya(1.51%)_Nitrososphaera(1.25%)、浮霉菌属(Planctomyces)2.5 环境因子与菌群关联分析
(1.08%)以及盐单胞菌属(Halomonas)(1.37%)ꎮ的菌属均为Candidatus_Nitrososphaera(10.43%、均为MS组中优势菌属ꎻ在HS组中相对丰度最大的菌属为KSA1(3.18%)ꎬ其他优势菌属还有Candidatus
(Nitrospirae)为3种盐碱土壤中最主要的菌门ꎮWS3、GAL15、GN04、LD1、NC10为SS组特有菌门ꎬKazan-3B-28、WPS-2为MS组特有菌门ꎮ随着盐碱化程度的增加ꎬ泉古菌门的相对丰度从10.48%减少到1.25%ꎬ酸杆菌门的相对丰度也急剧下降ꎬ从SS组中的32.28%下降到MS组中的9.64%ꎬ但在MS与HS组中相对丰度差异不大ꎮ然而放线菌门22.57%、8.28%ꎮ拟杆菌门和芽单胞菌门的相对丰10.64%、18.80%ꎬ但是二者在MS和HS中的相对丰度差异不大ꎮ另外ꎬ变形菌门和绿弯菌门的相对丰度在MS组中最高ꎬ在HS和SS组中差异不大ꎮ
在属分类水平上ꎬ除去未命名的菌属ꎬ共有12个菌属被鉴定出来ꎬ其中SS组7个ꎬMS组11个ꎬHS组11个ꎬKSA1为HS组中特有菌属ꎮ热图分析表明(图4b)ꎬSS和MS的微生物类群相似度较高ꎬ度也有增加的趋势ꎬ分别从4.11%、4.10%增加到和浮霉菌门的相对丰度却从7.74%、4.63%增加到
RDA分析可以得到环境因子与样本分布和菌群结构之间的关系ꎮ本研究通过Canoco4.5ForWindows软件对土壤理化因子对菌群结构的影响进行分析ꎬ理化因子包括可溶性盐(Solublesalt)、pH值、碱化度(ESP)、碱解氮(AN)、有效磷(AP)、速效钾(AK)和有机质(OM)含量ꎬ这些环境因子与细菌
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干旱地区农业研究 第38卷
25.19%ꎬ它们的相对丰度与碱解氮、有机质以及速效钾含量呈正相关ꎻ而第Ⅲ组仅有疣微菌门和绿弯菌门ꎬ它们的相对丰度分别与有效磷含量和可溶性盐含量呈正相关ꎮ
环境因子与菌属的关系如图5(b)所示ꎬ这些细菌属被分成了3组ꎬ第Ⅰ组包括4个菌属ꎬ即盐单胞菌属、KSA1、浮霉菌属、Rubricoccusꎬ其丰度与土壤的碱化度和pH值呈正相关ꎻ第Ⅱ组包括6个菌属ꎬ分别为土壤杆菌属、纤维弧菌属、尤泽比氏菌属、Gem ̄mata、Pontibacter、红色杆菌属ꎬ其丰度与土壤的可溶性盐含量呈正相关ꎻ第Ⅲ组仅有2个菌属ꎬCandidatusEntotheonella和氨氧化菌属ꎬ其丰度与土壤有机质、碱解氮、速效钾等肥力指标呈正相关ꎮ
群落结构有着密不可分的关系ꎮ如图5所示ꎬ碱化度、可溶性盐含量、pH值与土壤的肥力因子(碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含量)呈负相关ꎬ从环境因子与样本之间的关系来看ꎬ轻度盐碱土与土壤肥力因子呈正相关ꎬ与pH值、碱化度和可溶性盐含量呈负相关ꎬ而中度和重度盐碱土则与轻度盐碱土相反ꎮ环境因子与菌群结构的关系如图5(a)所示ꎬ这些细菌门类几乎被分成了4组ꎬ第Ⅰ组包括放线菌门、浮霉菌门、拟杆菌门、芽单胞菌门、厚壁菌门在内的5个菌门占整个群落相对丰度的44.31%ꎬ它们的相对丰度与土壤pH值、碱化度呈正相关ꎻ第Ⅱ组包括酸杆菌门、泉古菌门、硝化螺旋菌门、广古菌门、TM7在内的5个菌门的相对丰度占总丰度的
图4 不同盐碱土壤样品中细菌组成
Fig.4 Relativeabundancesofbacteriaindifferentsaline ̄alkalisoilsamples
注:(a)中1:酸杆菌门ꎻ2:变形菌门ꎻ3:泉古菌门ꎻ4:放线菌门ꎻ5:绿弯菌门ꎻ6:浮霉菌门ꎻ7:拟杆菌门ꎻ8:芽单胞菌门ꎻ9:疣微菌门ꎻ10:硝化螺旋菌门ꎻ11:广古菌门ꎻ12:TM7ꎻ13:厚壁菌门ꎻ(b)中1:土壤杆菌属ꎻ2:CandidatusEntotheonellaꎻ3:氨氧化菌属ꎻ4:纤维弧菌属ꎻ5:尤泽比氏菌属ꎻ6:Gemmataꎻ7:盐单胞菌属ꎻ8:KSA1ꎻ9:浮霉菌属ꎻ10:Pontibacterꎻ11:Rubricoccusꎻ12:红色杆菌属ꎮSolublesalt:可溶性盐ꎻESP:碱化度ꎻAP:有效磷ꎻAK:速效钾ꎻOM:有机质ꎻAN:碱解氮ꎮ
Note:In(a)ꎬ1:Acidobacteriaꎻ2:Proteobacteriaꎻ3:Crenarchaeotaꎻ4:Actinobacteriaꎻ5:Chloroflexiꎻ6:Planctomycetesꎻ7:Bacte ̄roidetesꎻ8:Gemmatimonadetesꎻ9:Verrucomicrobiaꎻ10:Nitrospiraeꎻ11:Euryarchaeotaꎻ12:TM7ꎻ13:Firmicutes.In(b)ꎬ1:Agrobac ̄teriumꎻ2:CandidatusEntotheonellaꎻ3:CandidatusNitrososphaeraꎻ4:Cellvibrioꎻ5:Euzebyaꎻ6:Gemmataꎻ7:Halomonasꎻ8:KSA1ꎻ9:Planctomycesꎻ10:Pontibacterꎻ11:Rubricoccusꎻ12:Rubrobacter.ESP:ExchangesodiumpercentageꎻAP:AvailablephosphorusꎻAK:AvailablepotassiumꎻOM:OrganicmatterꎻAN:Alkali ̄hydrolyzablenitrogen.
图5 土壤样品细菌群落与土壤理化因子相关性冗余分析
Fig.5 Redundancyanalysisbiplotbetweenthemicrobialcommunitiesandsoilproperties
第2期 向君亮等:松嫩草原盐碱土细菌多样性分析
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3 讨 论
分、可溶性盐含量、pH、碱化度、酶活性等)与地上植被特征存在显著差异ꎮ没有植物可以在HS组的土壤中生存ꎬ土壤中缺乏植物残留物ꎬ可供细菌利用的营养物质较SS和MS组少ꎬ因此其丰度较低ꎮ由于营养物质的匮乏ꎬ一些需要丰富营养的细菌丰度低于SS组ꎬ如β-变形菌纲的细菌ꎬ这些差异导致了微生物群落结构和组成上的差异ꎮ本研究结果表明ꎬ随着土壤盐渍化程度的加重ꎬ土壤性质对微生物种群的影响越来越大ꎬ而在这种极端环境下能够存活的植物越来越少ꎬ可供微生物利用的有机物和盐碱土在我国分布较为广泛ꎬ但盐碱类型有所
不同ꎮ东部沿海地区为氯化物盐土ꎬ华北和河套平原主要以氯化物与硫酸盐混合类型的盐碱土为主ꎬ然而东北松嫩平原、山西大同盆地的盐碱土主要以碳酸盐、重碳酸盐为主ꎬ因此也称苏打盐土[12]ꎮ本10.20ꎮ王爽[13]在研究大庆地区重度盐碱土土壤性研究所采集的3种盐碱土pH值分别为8.24、9.52、质时发现ꎬ土壤的pH值为10.52ꎬ含盐量为1.14%ꎬ
碱化度为75.76%ꎬ与本研究所得结果相似ꎮ由于苏打型盐碱地有大量碳酸根和重碳酸根作用ꎬ即使土壤含盐量较低ꎬ其pH值也普遍较高ꎮ植物要在这样的环境下生存ꎬ不仅要避免因吸收过多Na+造成的钠离子毒害ꎬ还要耐受较高pH值所带来的碱胁迫作用ꎮ这种环境会导致植物根系腐烂ꎬ大部分植物难以生存ꎮ因此ꎬ3种盐碱地上植被密度也随着盐碱程度的加重而减少ꎮ
有机质、碱解氮、有效磷、速效钾是土壤肥力的重要指标ꎮ土壤酸碱性则是影响土壤肥力的一个重要因素ꎮ它不仅直接影响植物的生长发育ꎬ还影响着土壤对有机质的分解ꎬ营养元素的释放与转化ꎬ土壤离子的交换、运动、迁移和转化等[11]土中由于含有大量盐分且pH值较高ꎬ所以土壤肥ꎮ盐碱力较低ꎮ松嫩草原是我国典型的盐碱草甸草原ꎬ其土壤类型为黑土ꎮ黑土的有机质含量高ꎬ肥力较好ꎬ但随着盐碱程度的增加ꎬ动植物越来越难以存活ꎬ腐殖质的补给量急剧减少ꎬ由此造成土壤退化ꎮ本研究所采集的3种盐碱土中ꎬSS组的盐碱土由于植被生长旺盛ꎬ植物残体补充了土壤中的腐殖质ꎬ然而随着盐碱化程度的增加ꎬ植被覆盖度越来越小ꎬ土壤中腐殖质的来源也急剧减少ꎬ因而有机质含量随之降低ꎮ
前人研究发现ꎬ土壤盐渍化程度越低ꎬ土壤细菌群落的多样性和丰富度越高[14]与其一致ꎮ随着盐碱浓度的增加ꎬꎬ细菌群落结构差本研究得出结果异显著ꎬ细菌丰度降低ꎮ导致土壤中细菌群落结构不同的因素有很多ꎬ例如土壤的理化性质对细菌和植物具有一定的筛选作用ꎬ其主要表现为高盐度对细胞的损害[15]耐盐性强的细菌或植物才能存活ꎮ因此ꎬ随着土壤盐分的增加ꎮ动植物的残体ꎬ只有以及植物的根分泌物等可以为土壤中细菌生存提供所需的营养物质ꎮ以往的研究表明ꎬ植物根系分泌物会引起根际土壤微生物群落的变化[16]研究中ꎬ随着盐碱化程度的加重ꎬ土壤理化性质ꎮ在本(养
根系分泌物等营养成分越来越少ꎬ因而细菌群落的结构发生了改变ꎮ
松嫩盐碱草地细菌群落以放线菌和变形细菌为主ꎬ这一结果与前人类似研究中的发现是一致的ꎮ放线菌由于其特殊的形态和细胞结构ꎬ能产生菌丝和孢子ꎬ抵抗外界的恶劣环境ꎬ因此广泛分布于各种生态环境中ꎬ特别是在极端环境中ꎮMS组与HS组中放线菌的相对丰度明显高于SS组ꎬ说明放线菌能更好地适应极端环境ꎮTian等[17]研究发现ꎬ滨海盐碱土中最主要的细菌群落为放线菌门和变形菌门ꎻGoordial等[18]应用宏基因组测序和活性测定研究大河流域多年冻土和新石器时代群落的功能容量ꎬ结果发现ꎬ这种极端环境下放线菌是最主要的qPCR微生物和微阵列分析发现菌门ꎮYergeau等[19]群落结构非常相ꎬ似活性层土壤和永久冻土通过亚基因组测序、Zhou等ꎬ其中以放线菌为主ꎮ
[8]研究发现青藏高原退化草原土壤中细菌群落以放线菌门为主ꎬ其次是变形菌门ꎮ在本研究中ꎬ其他较为丰富的菌门还有酸杆菌门ꎬ绿弯菌门、芽单胞菌门、浮霉菌门和厚壁菌门等ꎬ这些细菌在草地生态系统中具有重要的作用ꎬ例如降解动植物尸体ꎬ参与碳循环、能量循环过程ꎮ随着盐碱程度的增加ꎬ土壤中可供微生物利用的营养物质越来越少ꎮKuzenstol等[20]发现ꎬ多数γ变形菌纲的细菌为贫养菌ꎬ寡营养细菌有从大气中摄取营养物质的能力ꎬ可利用大气中的微量碳、氮源来维持正常的生长[21]菌纲的相对丰度与土壤盐碱化程度成正比ꎮ我们发现ꎬ芽单胞菌门、浮霉菌门及ꎬ然而一γ变形些富养菌的相对丰度(如β-变形菌纲)却随着土壤盐碱程度的降低而减少ꎬ这与Wang等[22]描述的相一致ꎮ
本研究发现ꎬ盐单胞菌属、KSA1、浮霉菌属、Ru ̄bricoccus的丰度与土壤的pH值和碱化度呈正相关ꎮ前人研究发现ꎬ盐单胞菌属细菌可以在细胞内积累高浓度阳离子以维持细胞内部的渗透平衡ꎬ还可以68
干旱地区农业研究 第38卷
[9] 牛世全ꎬ龙洋ꎬ李海云ꎬ等.应用IlluminaMiSeq高通量测序技术分
44(9):2067 ̄2078.119 ̄204.2281 ̄2291.
通过反向转运钠离子/钾离子ꎬ将细胞内过多的钠离子排至细胞外ꎬ同时增加钾离子和其他营养物的吸收维持细胞渗透压ꎮ孟琳[23]研究发现ꎬ肇东盐单胞菌(Halomonaszhaodongensis)NEAU-ST10-25中存在的Na/H逆向转运蛋白基因可以明显增加大
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肠杆菌的耐盐能力ꎮ有研究表明ꎬ盐单胞菌属、Ru ̄
bricoccus均为耐盐碱细菌[24]ꎬ而大多数耐盐碱细菌需要一定的盐浓度来维持细胞形态ꎻ因此ꎬ盐单胞菌属、Rubricoccus的丰度与土壤盐碱化程度呈正相关ꎮ
土壤微生物群落结构受到诸多因素的影响ꎬ除土壤理化因子外ꎬ温度、降水量、植被种类等均会影响其结构组成ꎮ由于黑龙江省冬季气候严寒ꎬ夏季炎热ꎬ年温差可达60℃ꎬ因此ꎬ在时间维度上与土壤细菌群落结构多样性的关系还有待于进一步研究ꎮ
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