滕嘉玲,賈榮亮,趙 蕓

1 中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所, 沙坡頭沙漠試驗研究站, 蘭州 730000 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

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沙埋對干旱沙區(qū)真蘚結(jié)皮層細菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響

滕嘉玲1,2,賈榮亮1,*,趙 蕓1,2

1 中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所, 沙坡頭沙漠試驗研究站, 蘭州 730000 2 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

作為干旱沙區(qū)常見干擾之一的沙埋顯著影響著生物結(jié)皮的結(jié)構(gòu)和功能,但其內(nèi)在的生物學(xué)機理還不清楚。利用高通量測序技術(shù),通過對0(對照)、0.5(淺層)、2和10 mm(深層)沙埋處理后的騰格里沙漠東南緣沙坡頭地區(qū)真蘚(Bryumargenteum)結(jié)皮層細菌群落物種組成與豐度的測定,研究了沙埋對真蘚結(jié)皮層細菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響。結(jié)果表明：(1) 共檢測到沙坡頭地區(qū)真蘚結(jié)皮層細菌38門106綱181屬,以放線菌、變形菌、藍藻、浮霉菌、擬桿菌和酸桿菌等為主(占細菌群落的78.4%—83.0%)；(2) PCA分析表明沙埋導(dǎo)致該地區(qū)真蘚結(jié)皮層細菌群落結(jié)構(gòu)組成發(fā)生明顯改變。無沙埋時,真蘚結(jié)皮層細菌群落中相對豐度最高的是藍藻(18.6%),隨著沙埋厚度的增加,依次變?yōu)樽冃尉?21.5%, 沙埋厚度0.5 mm)、浮霉菌(21.5%, 沙埋厚度2 mm)和放線菌(23.3%, 沙埋厚度10 mm)；淺層沙埋顯著增加了真蘚結(jié)皮層細菌群落中光合菌、固氮菌和產(chǎn)菌絲體細菌等關(guān)鍵功能菌的豐度,但深層沙埋降低了它們的豐度；(3) 沙埋顯著增加了真蘚結(jié)皮層細菌群落多樣性(P<0.05)和物種豐富度(P<0.05),0.5 mm沙埋后的細菌群落豐富度指數(shù)最高,2 mm沙埋后的結(jié)皮層細菌群落多樣性指數(shù)最高。揭示了沙埋對干旱沙區(qū)真蘚結(jié)皮層細菌群落結(jié)構(gòu)與多樣性的影響,為深入理解沙埋對沙區(qū)生物結(jié)皮結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能影響的生物學(xué)機制提供了一定的理論依據(jù)。

真蘚結(jié)皮; 高通量測序技術(shù); 沙埋; 細菌; 群落結(jié)構(gòu)和多樣性

生物結(jié)皮是由隱花植物如藍藻、其他藻類、地衣、苔蘚類和土壤細菌、真菌,以及相關(guān)的其它生物體通過菌絲體、假根和分泌物等與土壤表層顆粒膠結(jié)形成的十分復(fù)雜的復(fù)合體[1]。作為沙區(qū)生態(tài)系統(tǒng)組成和地表景觀的重要特征,生物結(jié)皮在不同生物氣候區(qū)的沙區(qū)景觀、土壤生態(tài)、土壤水文、土壤生物和地球化學(xué)循環(huán)過程,以及干旱半干旱地區(qū)生態(tài)修復(fù)過程中發(fā)揮著重要作用[1]。由于所處地表生境、低矮結(jié)構(gòu)和變水植物的特點,生物結(jié)皮的結(jié)構(gòu)和功能容易受到環(huán)境和干擾因素的影響[2]。

風(fēng)沙掩埋是干旱沙區(qū)生物結(jié)皮經(jīng)常遭受的干擾之一[3]。已有研究表明,沙埋不僅顯著改變蘚類結(jié)皮生物量積累、生長和演替[3],降低藍藻結(jié)皮的胞外多糖含量和總糖儲備[4-5],還影響結(jié)皮的光合速率[3]、溫室氣體通量[6]及藍藻結(jié)皮中氮的生物有效性[7]等生態(tài)功能的發(fā)揮。沙埋是如何對結(jié)皮的生態(tài)功能產(chǎn)生影響,其機理又如何？目前已有研究發(fā)現(xiàn),沙埋可以改變結(jié)皮所處土壤溫度[8]、土壤濕度[9]、水汽凝結(jié)[8]、光照和O2濃度等環(huán)境條件[10]。但除了這些環(huán)境因子變化以外,我們知道,上述生理活動過程均有微生物參與,而在生物群落水平上,有研究發(fā)現(xiàn)沙埋可能增加土壤微生物數(shù)量,改變微生物群落結(jié)構(gòu)[11]。那么,沙埋是否會通過影響生物結(jié)皮層微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性,從而影響這些生物結(jié)皮功能呢？

細菌作為生物結(jié)皮層中數(shù)量最多的微生物種群,在結(jié)皮的養(yǎng)分循環(huán)、碳氮固定和有機質(zhì)分解中發(fā)揮關(guān)鍵作用,其群落結(jié)構(gòu)和多樣性可以敏感地反映沙區(qū)的生態(tài)功能和環(huán)境變化[12-13]。例如,光合細菌[14]參與結(jié)皮的碳循環(huán)過程,可提高沙區(qū)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力；固氮菌[15]增加結(jié)皮的固氮能力,使其更適應(yīng)氮貧乏的沙區(qū)生態(tài)系統(tǒng)；胞外多糖產(chǎn)生菌兼具增加土壤碳水化合物的儲備[16]、防止噬菌體與原生動物的攻擊、膠結(jié)沙粒[15]和穩(wěn)定土壤團聚體[12]等多重功能；一些能被生物結(jié)皮中變形蟲等原生動物捕食的細菌也是土壤食物網(wǎng)的重要一環(huán)[17]。因此,研究生物結(jié)皮層細菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性能夠為更深入理解生物結(jié)皮生態(tài)功能提供重要信息。但是,目前對生物結(jié)皮層細菌群落的研究主要集中在干旱和半干旱區(qū)的藍藻結(jié)皮及其初級生產(chǎn)者,關(guān)于其他類型結(jié)皮和結(jié)皮中異養(yǎng)生物體和干擾對結(jié)皮微生物群落的研究則相對較少[18-23]。雖然自20世紀60年代起就有了關(guān)于結(jié)皮層微生物研究[24- 30],這些研究為我們認知生物結(jié)皮中的細菌群落提供了基礎(chǔ)資料,但都是基于傳統(tǒng)研究方法,大量微生物的不可培養(yǎng)性是傳統(tǒng)微生物生態(tài)學(xué)在揭示自然界微生物群落結(jié)構(gòu)、生態(tài)功能及其相互關(guān)系研究中的最大障礙[31]。

隨著分子生物學(xué)理論與技術(shù)在微生物生態(tài)學(xué)研究中的不斷滲透,土壤微生物多樣性的研究有了新的突破,大量未被認知的微生物新物種及其新功能得到鑒定和應(yīng)用。高通量測序技術(shù)作為核酸測序研究的一次革命性技術(shù)創(chuàng)新,為更加全面、準確和深入挖掘微生物群落組成提供了新的科研方法和解決方案,生物結(jié)皮層微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的研究也因此進入了一個新的篇章[32]。但目前的這些研究大多集中于對不同生境下生物結(jié)皮層微生物群落的探索,如Maier等[33]利用454焦磷酸測序法研究了西班牙塔韋爾納斯盆地地衣結(jié)皮的原核微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性,并且比較了蘚類結(jié)皮層與結(jié)皮覆蓋土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)的差異,Abed等[34]比較了澳大利亞南部鹽湖沉積物和鄰近生物結(jié)皮層風(fēng)塵中的微生物群落,Angel等[35]研究了模擬降水后結(jié)皮層微生物群落的復(fù)蘇過程,Dojani等[36]探索了南非干旱草原生物結(jié)皮層藍藻的多樣性,有關(guān)沙埋對生物結(jié)皮層細菌群落的影響鮮見報道。

本研究以騰格里沙漠東南緣沙坡頭人工植被區(qū)生長的優(yōu)勢蘚類結(jié)皮——真蘚(BryumargenteumHedw.)結(jié)皮為研究對象,利用高通量測序技術(shù)研究了不同厚度沙埋處理對真蘚結(jié)皮層細菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響,以期揭示該區(qū)沙埋干擾后真蘚結(jié)皮層微生物群落多樣性與結(jié)構(gòu)變化特征,為進一步認知沙埋對沙區(qū)土壤微生物群落功能的影響和深入理解沙埋生物結(jié)皮結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能影響機理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

供試生物結(jié)皮采集自中國科學(xué)院沙坡頭沙漠試驗研究站包蘭鐵路以北的人工植被區(qū)(37°32′ N, 105°02′ E)。該區(qū)海拔1330 m,多年平均氣溫9.6 ℃,年平均降水量186.5 mm,降水主要集中在5—9月；年蒸發(fā)量2300—2500 mm,土壤穩(wěn)定含水量為2%—3%。該區(qū)人工固沙植被始建于1956 年,并于1964、1981和1987年多次擴建。主要固沙灌木、半灌木為：檸條(Caraganakorshinskii)、花棒(Hedysarumscoparium)和油蒿(Artemisiaordosica),主要優(yōu)勢草本植物有：小畫眉草(Eragrostispoaeoides)、霧冰藜(Bassiadasyphylla)和刺沙蓬(Salsolaruthenica)。蓋度較大且發(fā)育良好的蘚類、藻類和地衣主要有真蘚(Bryumargenteum)、土生對齒蘚(Didymodon-vinealis)、刺葉赤蘚(Syntrichiacaninervis)[37-38]、具鞘微鞘藻(Microcoleusvaginatus)、隱頭舟形藻(Naviculacryptocephala)、隱鞘鞘絲藻(Lyngbyacryptovaginatus)、爪哇偽枝藻(Scytonemajavanicum)[39]、石果衣(Endocarponpusillum)和糙聚盤衣(Glypholeciascabra)[40]。真蘚結(jié)皮作為蘚類先鋒種,也是該區(qū)分布最廣泛的蘚類,蓋度達到60%以上。試驗采用分布于1964年建植的人工植被區(qū)迎風(fēng)坡的真蘚結(jié)皮。

1.2 沙埋處理

2014年5月初在研究區(qū)內(nèi)選擇試驗樣本進行沙埋處理。在研究區(qū)內(nèi)的迎風(fēng)坡隨機選擇真蘚結(jié)皮覆蓋區(qū)域,將12個直徑20 cm、深度10 cm的PVC管隨機插入真蘚結(jié)皮土壤,沙埋處理前先人工去除結(jié)皮外的其他草本和枯枝落葉,然后采用體積/表面積法進行0(control)、0.5、2、10 mm 4個厚度的沙埋處理,使得PVC管的上邊緣高于內(nèi)部真蘚結(jié)皮或敷沙表面0.5 cm。每個處理設(shè)3個重復(fù),沙埋時確保沙子均勻灑在結(jié)皮上[3]。對每個樣本進行標(biāo)記、編號、拍照,試驗過程中管內(nèi)沙子覆蓋如有劇烈變化(如大風(fēng)天氣后),根據(jù)記錄和照片,利用增添沙子或用軟毛刷撫平等方法盡量使其恢復(fù)原狀。

1.3 樣品采集

樣品采集于2014年10月進行,采集時用無菌毛刷輕輕掃去真蘚結(jié)皮表面的敷沙,將直徑35 mm的無菌培養(yǎng)皿倒扣在結(jié)皮表面,取PVC管中心位置(避免邊緣效應(yīng))[11]1 cm左右厚度的生物結(jié)皮樣品。按照五點采樣法,每個沙埋處理的真蘚結(jié)皮采集5份土樣,混合均勻作為一個樣品,過2 mm土篩后裝于無菌自封袋,用干冰冷藏,帶回實驗室后存放于-20℃的冰箱。

1.4 DNA提取與16S rRNA基因擴增

采用Powersoil DNA Isolation Kit (MoBio, USA)提取土壤總DNA,經(jīng)紫外分光光度計測定其濃度和純度后,再用瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA樣品的完整性,最后置于-20℃冰箱中保存?zhèn)溆谩?/p>

選取細菌通用引物520F(5-AYTGGGYDTAAAGNG- 3)和802R(5-TACNVGGGTATCTAATCC- 3)對細菌16S rDNA的V4高變區(qū)片段進行擴增,PCR條件如下：98 ℃預(yù)變性30 s,按98 ℃變性30 s,50 ℃退火30 s,72 ℃延伸30 s循環(huán)27次,最后72 ℃延伸5 min。PCR產(chǎn)物經(jīng)2%瓊脂糖凝膠電泳檢測后4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.5 高通量測序

將PCR產(chǎn)物經(jīng)定量等質(zhì)量控制后,建Illumina測序文庫,采用Illumina Miseq平臺進行測序(委托上海派森諾生物科技有限公司完成)。

1.6 生物信息學(xué)分析

首先對原始數(shù)據(jù)進行質(zhì)量過濾和雙端序列的連接,對連接上的序列進行過濾和去除嵌合體,然后對得到的優(yōu)質(zhì)序列在97%的相似水平上進行操作分類單元(Operational Taxonomic Unit, OTU)的聚類和注釋。特定的分類單元代表某特定物種,基于OTU聚類和注釋的分析結(jié)果,繪制稀釋曲線,進行多樣性指數(shù)分析。Alpha多樣性是指一個特定區(qū)域或生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的多樣性,根據(jù)OTU表中的各樣品物種豐度情況,應(yīng)用軟件mothur計算生物多樣性指數(shù)Chao、Ace和Shannon,利用軟件Qiime生成不同分類水平上的物種豐度表和多樣品物種分布圖。對屬水平上的分類及物種豐度進行主成分分析,利用軟件R繪制PCA圖。

用單因素方差分析法(One-way ANOVA)比較不同沙埋厚度處理的真蘚結(jié)皮層細菌群落的Alpha多樣性指數(shù)(Chao, Ace and Shannon)和不同分類水平下的細菌豐度差異,顯著性檢驗采用最小顯著差異法(LSD法)。

2 結(jié)果分析

2.1 沙埋對真蘚結(jié)皮層細菌群落多樣性的影響

對所有原始序列進行質(zhì)量控制處理后(包括過濾、連接和去除嵌合體),低質(zhì)量序列被刪除,得到最終用于后續(xù)分析的優(yōu)質(zhì)序列。12個樣本共獲得532632個優(yōu)質(zhì)序列,文庫的平均大小是44386個序列。12個樣本的OTU數(shù)目和多樣性指數(shù)都在97%的相似水平下計算,共獲得4209個OTUs,數(shù)目從2858—3079,分屬于38個門,106個綱,181個屬。

利用Alpha多樣性分析結(jié)皮層細菌群落豐富度和多樣性。結(jié)皮層細菌群落的豐富度指數(shù)Chao和Ace指數(shù)變化特征一致：0.5 mm2 mm10 mm無沙埋,沙埋顯著增加了真蘚結(jié)皮層中細菌群落的物種豐富度(P<0.05, 表1),并且物種豐富度的增加隨沙埋厚度的增加而降低。細菌群落多樣性指數(shù)Shannon指數(shù)：2 mm10 mm0.5 mm無沙埋,沙埋顯著增加了真蘚結(jié)皮層細菌群落的多樣性指數(shù)(P<0.05, 表1)。

表1 沙埋對生物結(jié)皮層細菌群落多樣性指數(shù)的影響

平均值±標(biāo)準誤差,n=3,不同字母表示在P<0.05水平下有顯著差異

2.2 沙埋對真蘚結(jié)皮層細菌群落結(jié)構(gòu)的影響

對各樣本細菌群落分別進行門和綱分類水平上的群落組成分析。在門的水平上,比例大于1%的門被選了出來,剩余序列歸為Other(圖1A)。結(jié)果顯示,真蘚結(jié)皮層的優(yōu)勢菌群包括放線菌(Actinobacteria, 15.3%—23.3%)、變形菌(Proteobacteria, 17.0%—21.5%)、藍藻(Cyanobacteria, 0.7%—18.6%)、浮霉菌(Planctomycetes, 8.8%—21.5%)、擬桿菌(Bacteroidetes, 9.0%—16.9%)和酸桿菌門(Acidobacteria, 6.5%—12.5%),這6種菌占了真蘚結(jié)皮層細菌群落的78.4%—83.0%(圖1)。無沙埋時,真蘚結(jié)皮層細菌群落中相對豐度最高的是藍藻,隨著沙埋厚度的增加,依次變?yōu)樽冃尉?0.5 mm)、浮霉菌(2 mm)和放線菌(10 mm)。

圖1 不同沙埋處理真蘚結(jié)皮層細菌在門(A)和綱(B)分類水平上群落組成Fig.1 Relative abundances of different phyla (A) and classes (B) in the bacterial communities within biocrusts following sand burial

圖2 不同沙埋處理真蘚結(jié)皮層細菌群落的主成分分析 Fig.2 Principal components analysis (PCA) of the bacterial communities within biocrusts following sand burial

同樣地,在綱分類水平上豐度最高的10種細菌也被選了出來(圖1B)。優(yōu)勢菌綱包括α-變形菌綱(Alphaproteobacteria, 13.4%—15.5%)、放線菌綱(Actinobacteria, 8.6%—11.4%)、Chloroplast(0.3%—15.5%)、浮霉菌綱(Planctomycetia, 4.2%—11.5%)和Phycisphaerae(3.2%—9.9%)。隨沙埋厚度的增加,真蘚結(jié)皮層綱水平上豐度最高的菌群由藍藻門的Chloroplast變?yōu)榱甩?變形菌。

通過門和綱水平上的細菌群落組成(圖1)可看出,無沙埋和0.5 mm沙埋真蘚結(jié)皮層細菌群落更相似,2 mm和10 mm沙埋結(jié)皮層細菌群落相似性更高。通過PCA分析,發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果(圖2)。PCA的前兩軸解釋了71.49%的群落變異,不同厚度沙埋處理的結(jié)皮層細菌群落與對照相比都發(fā)生了明顯的位置變化,但又被分為兩組。無沙埋和0.5 mm淺層沙埋處理在一端聚在一起,2 mm和10 mm沙埋處理在另一端聚在一起,說明沙埋可導(dǎo)致真蘚結(jié)皮層細菌群落的顯著變化。

2.3 沙埋對真蘚結(jié)皮層細菌門水平物種豐度的影響

沙埋后豐度增加的門類包括放線菌(Actinobacteria)、變形菌(Proteobacteria)、浮霉菌(Planctomycetes)、擬桿菌(Bacteroidetes)、疣微菌(Verrucomicrobia)、芽單胞菌(Gemmatimonadetes)和FBP (圖3)。其中浮霉菌相對豐度的增加在2和10 mm沙埋后達到顯著水平(P<0.05),FBP的相對豐度的增加在0.5和10 mm沙埋后達到顯著水平(P<0.05, 圖3)。沙埋后豐度降低的種包括藍藻(Cyanobacteria)、酸桿菌(Acidobacteria)和綠彎菌(Chloroflexi),其中只有藍藻的相對豐度在2和10 mm沙埋后顯著降低(P<0.05, 圖3)。

圖3 沙埋對真蘚結(jié)皮門水平上物種相對豐度的影響Fig.3 Effects of sand burial on abundant phyla (1% of OTUs) of bacterial communities within biocrusts

放線菌中產(chǎn)菌絲體屬Geodermatophilus、Nocardioides和Pseudonocardia的豐度在0.5 mm沙埋后顯著增加(P<0.05),但當(dāng)沙埋厚度增加時,其相對豐度則顯著下降(P<0.05)。藍藻門中豐度最高的是產(chǎn)氧光合藻類——席藻(Phormidium),同樣地,它的豐度在0.5 mm厚度沙埋后顯著增加,但在更深的沙埋后豐度急劇下降。不產(chǎn)氧的光合菌如Methylobacterium和Belnapia也是在0.5 mm厚度沙埋后顯著增加,但在更深的沙埋后出現(xiàn)下降趨勢。人們的所有樣本中均未檢測到絲狀藍藻——微鞘藻屬(Microcoleus)的存在。

除了優(yōu)勢菌群外,沙埋顯著增加了真蘚結(jié)皮層的硝化螺旋菌豐度。固氮菌Nostoc和Scytonema在0.5 mm厚度沙埋后顯著增加,但在更深的沙埋后出現(xiàn)下降趨勢。

3 討論

大量微生物的不可培養(yǎng)是傳統(tǒng)微生物生態(tài)學(xué)研究的最大障礙,因而,傳統(tǒng)的研究方法往往會低估土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性,無法深入詳細描述出其群落結(jié)構(gòu)組成方面的信息[41]。近年來,隨著非傳統(tǒng)培養(yǎng)方法和新一代測序技術(shù)的快速發(fā)展,對土壤微生物的研究也更加全面、精確。

不同研究者通過對渾善達克沙地[15]、索諾蘭沙漠[20]、科羅拉多高原[18]和賀蘭山地區(qū)[42]結(jié)皮層細菌群落的研究發(fā)現(xiàn),藍藻、變形菌和放線菌是各個研究區(qū)生物結(jié)皮中普遍存在的細菌類群。我們對沙坡頭地區(qū)真蘚結(jié)皮的研究及Wang等[43]對沙坡頭地區(qū)地衣結(jié)皮的研究結(jié)果與前人基本一致,但不同研究區(qū)結(jié)皮層的優(yōu)勢菌群存在差異。沙坡頭地區(qū)真蘚結(jié)皮層的優(yōu)勢菌群主要是放線菌,渾善達克沙地結(jié)皮中變形菌則占優(yōu)勢地位,索諾蘭沙區(qū)、科羅拉多高原和賀蘭山的結(jié)皮中藍藻是豐度最高的細菌。之前已有研究表明,土壤微生物群落組成受到特定生境環(huán)境因素,如土壤pH[44- 45]、土壤水分含量[46]、碳有效性[47]和含鹽量等的影響[44,48]。因此,上述不同地區(qū)生物結(jié)皮的細菌群落結(jié)構(gòu)差異可能是由于不同生境的環(huán)境因素差異所致。

沙埋改變生物結(jié)皮所處的環(huán)境條件,如土壤溫度、土壤濕度、光照、O2濃度和露水沉降等[3,8,11],從而影響結(jié)皮生物生理活動。由于結(jié)皮生物體的死亡、藍藻細胞的自我溶解及其導(dǎo)致的胞外氮釋放,長時間的沙埋可能增加藻類結(jié)皮的生物可利用氮含量[7]。Rao等[5]研究發(fā)現(xiàn)沙埋可以小幅度增加土壤pH和土壤濕度,且已有大量的研究表明,土壤的物理化學(xué)性質(zhì),如營養(yǎng)物質(zhì)的有效性[50]、土壤pH[51]和氣候條件(如溫度和日照時間)[52]等對細菌的多樣性和群落結(jié)構(gòu)有著廣泛的影響[49],所以,沙埋勢必會對結(jié)皮層微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性造成影響。

本文的研究表明,沙埋對真蘚結(jié)皮層細菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性均造成了顯著影響,各個厚度的沙埋均增加了真蘚結(jié)皮層細菌群落豐富度(表1)。造成變化的原因可能是因為沙埋降低了太陽輻射強度,減少了水分蒸發(fā),增加了土壤濕度[5],從而為群落中的細菌提供了一個較適宜的生存環(huán)境造成的。但0.5 mm沙埋后的真蘚結(jié)皮層細菌群落豐富度顯著高于2 mm和10 mm沙埋后的結(jié)皮(表1),這可能是因為0.5 mm沙埋除了適度降低輻射、減少蒸發(fā)外,并未使結(jié)皮與空氣和光照隔絕,為藍藻等光合菌和好氧菌提供了相對適宜的環(huán)境,也為原本不適于生長發(fā)育在此地的某些細菌種群提供了適宜的生存環(huán)境,提高了其在群落中的優(yōu)勢度,從而增加了群落豐富度。同樣地,真蘚結(jié)皮層細菌群落多樣性在沙埋后也顯著增加,但0.5 mm沙埋結(jié)皮的群落多樣性顯著低于其他兩個厚度(2 mm和10 mm)的沙埋。群落多樣性包含物種豐富度和均勻度兩個概念。0.5 mm沙埋雖然增加了結(jié)皮層細菌群落中物種的豐富度,但可能降低了其物種分布的均勻度。0.5 mm厚度的沙埋為生物結(jié)皮層的微生物提供了一個相對較適宜的環(huán)境,促進了各個菌群的發(fā)展,但有限的資源勢必會引起各菌群對營養(yǎng)物質(zhì)的競爭,進而導(dǎo)致各菌種豐度的差異,物種分布的均勻度隨之降低。

藍藻、放線菌和變形菌是騰格里沙漠人工植被區(qū)真蘚結(jié)皮層中豐度最高的菌種(圖3)。但隨著沙埋厚度的增加,藍藻豐度逐漸下降,變形菌、浮霉菌、放線菌的豐度隨沙埋增加,并依次成為0.5、2、10 mm厚度沙埋處理下真蘚結(jié)皮層的優(yōu)勢種(圖3)。一方面,雖然藍藻可以在干旱環(huán)境下生存很長時間,但在干旱期間,沙埋所造成的濕度增加可能通過調(diào)節(jié)細菌的呼吸代謝過程,增強其分解作用,進而導(dǎo)致胞外多糖(EPS)的降解。另一方面,藍藻細胞沙埋后由于缺少足夠的光去激活光合作用,也易發(fā)生自溶[6]。而兩方面的共同作用最終使群落中的藍藻豐度下降。一般而言,成熟的生物結(jié)皮中藍藻優(yōu)勢屬是Nostoc屬和Scytonema屬[42]。但沙坡頭地區(qū)真蘚結(jié)皮層豐度最高的藍藻是席藻屬 (Phormidium),它的豐度在0.5 mm厚度沙埋后顯著增加,在更深的沙埋后又急劇下降。雖然微鞘藻屬(Microcoleus)廣泛存在于結(jié)皮中,但我們的所有樣本中均未檢測到其存在,而瘦鞘絲藻屬(Leptolyngbya)是真蘚結(jié)皮中豐度最高的絲狀藍藻。由此可見,不同地區(qū)的結(jié)皮可能選擇不同的絲狀藍藻作為主導(dǎo)的細菌成員[33]。有研究表明[53-55],生物結(jié)皮受干擾后的功能恢復(fù)依賴于絲狀藍藻對其結(jié)構(gòu)的重建和光合能力的恢復(fù)。因此,淺層沙埋(0.5 mm)后真蘚結(jié)皮層瘦鞘絲藻屬豐度的增加可能是結(jié)皮對沙埋的一種積極恢復(fù)對策,生物結(jié)皮通過增加藻絲體來固定沙粒[53],同時增加系統(tǒng)碳氮輸入[53],以使結(jié)皮生物在沙埋后能夠維持其生理活動。但當(dāng)沙埋厚度持續(xù)增加時,就為生物結(jié)皮營造了一個無光、缺少氣體交換的微環(huán)境,藍藻豐度的急劇下降可能會引起結(jié)皮層生物量和養(yǎng)分的下降,從而降低生物結(jié)皮在沙埋解除后的恢復(fù)能力[56]。

沙埋后豐度增加的門類包括放線菌、變形菌、浮霉菌、擬桿菌、疣微菌、芽單胞菌和FBP(圖3)。放線菌中產(chǎn)菌絲體屬Geodermatophilus、Nocardioides和Pseudonocardia的豐度在0.5 mm沙埋后顯著增加(P<0.05),但當(dāng)沙埋厚度增加時,其相對豐度則顯著下降(P<0.05)。不產(chǎn)氧的光合菌如Methylobacterium和Belnapia也是在0.5 mm厚度沙埋后顯著增加,但在更深的沙埋后出現(xiàn)下降趨勢。除了優(yōu)勢菌群外,沙埋顯著增加了真蘚結(jié)皮層土壤中的硝化螺旋菌豐度,其中固氮菌Nostoc和Scytonema在0.5 mm厚度沙埋后顯著增加,但在更深的沙埋后出現(xiàn)下降趨勢。真蘚結(jié)皮層中光合菌和固氮菌豐度在淺層沙埋(0.5 mm)后的增加意味著結(jié)皮碳氮輸入的增加,這可能有助于提高結(jié)皮的抗干擾能力。

沙區(qū)面積已超過地球表面陸地面積的三分之一[57-58]。沙區(qū)土壤微生物作為沙區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的先鋒者,其群落結(jié)構(gòu)和多樣性可以敏感地反映沙區(qū)生態(tài)功能和其環(huán)境變化。細菌作為沙區(qū)生物結(jié)皮的重要組成部分,對生物結(jié)皮結(jié)構(gòu)和功能的維持及發(fā)揮具有重要影響。沙埋通過改變生物結(jié)皮中細菌等微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性,進而影響其結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能。淺層沙埋后產(chǎn)菌絲體菌、固氮菌和不產(chǎn)氧光合菌等菌種豐度的增加說明淺層沙埋有利于蘚類結(jié)皮生理生態(tài)功能的發(fā)揮,但隨著沙埋厚度的增加,異養(yǎng)細菌豐度的增加可能增加細菌的分解速率,加劇沙區(qū)土壤的碳氮流失。此外,深層沙埋引起的固氮菌、光合菌和產(chǎn)菌絲體菌類等特定功能菌群豐度的下降可能意味著生物結(jié)皮受干擾后恢復(fù)能力的降低,影響生物結(jié)皮功能發(fā)揮及演替進程。

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Impact of sand burial on bacterial community structure and diversity within biocrusts dominated byBryumargenteum

TENG Jialing1,2, JIA Rongliang1,*, ZHAO Yun1,2

1ShapotouDesertResearchandExperimentalStation,ColdandAridRegionsEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Lanzhou730000,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Bacteria, as a key component of biocrusts, which constitute up to or more than 70% of the living cover in arid and semiarid lands worldwide, play the primary role in carbon and nitrogen inputs in deserts. Thus, changes in bacterial community structure and diversity can significantly alter their ecological processes and the functions of biocrusts. Sand burial is a common environmental stress of the biocrusts in arid and semiarid areas, yet little information is available regarding the effects of sand burial on bacterial community structure and diversity within biocrusts. Therefore, we adopted the high-throughput sequencing techniques to investigate the effects of sand burial on bacterial community structure and diversity of biocrusts dominated byBryumargenteumfollowing sand burial of 0 (control), 0.5, 2 and 10 mm in Shapotou, southeastern edge of the Tengger Desert. Bacterial community species composition, abundance variation, and diversity indices including the Shannon-Wiener diversity and the richness indices Chao and abundance-based coverage estimator were compared among biocrusts that suffered sand burial at various depths. The results showed the following: (1) In total, 38 phyla, 106 classes, and 181 genera were identified within biocrusts dominated byB.argenteum, of which the dominant bacterial phyla included Actinobacteria, Proteobacteria, Cyanobacteria, Planctomycetes, Bacteroidetes, and Acidobacteria, which comprised 78.4%—83.0% of the whole community. (2) Principal component analysis showed that, compared to the control, the bacterial community structure was the most variable in soils at 2 and 10 mm depths. Sand burial induced significant changes in bacterial community composition; with the highest abundance were Cyanobacteria, Proteobacteria, Planctomycetes and Actinobacteria following 0, 0.5, 2 and 10 mm burial depths, respectively. With the increase in burial depth, the relative abundance of Actinobacteria, Proteobacteria, Planctomycetes, Bacteroidetes, Verrucomicrobia, Gemmatimonadetes, and FBP increased, while that of the phyla Cyanobacteria, Acidobacteria, and Chloroflexi decreased. In addition, the abundance of photosynthetic bacteria, nitrogen fixing bacteria, and mycelial genera of Actinobacteria all increased largely at 0.5 mm burial depth and decreased sharply at 2 and 10 mm burial depths. (3) The total count of bacteria, species richness, and microbial diversity of biocrusts dominated byB.argenteumincreased following sand burial, among which the biocrusts subjected to 0.5 mm burial depth had the highest richness indices and biocrusts subjected to 2 mm burial depth had the highest diversity indices. The study demonstrated that various depths of sand burial had significant effects on bacterial community and diverse features within biocrusts dominated byB.argenteumin Shapotou and thus offered the theoretical foundation for further understanding of the influence mechanism of sand burial on the structure and ecological functions of biocrusts in arid desert areas.

Bryumargenteum; high-throughput sequencing techniques; sand burial; bacteria; community structure and diversity

10.5846/stxb201601010002

國家自然科學(xué)基金項目(41371099, 41301080, 41530746); 中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)引進計劃

2016- 01- 01; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2016- 08- 30

滕嘉玲,賈榮亮,趙蕓.沙埋對干旱沙區(qū)真蘚結(jié)皮層細菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響.生態(tài)學(xué)報,2017,37(7):2179- 2187.

Teng J L, Jia R L, Zhao Y.Impact of sand burial on bacterial community structure and diversity within biocrusts dominated byBryumargenteum.Acta Ecologica Sinica,2017,37(7):2179- 2187.

*通訊作者Corresponding author.E-mail: rongliangjia@163.com