陳海生,劉守平,楊萬(wàn)勤,梁國(guó)錢

1 浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院,杭州 311231

2 浙江省臺(tái)州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院,臨海 317000

3 臺(tái)州學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,椒江 318000

高寒生態(tài)系統(tǒng)是在高寒環(huán)境下的土壤、植物群落、微生物群落及其水熱變化過(guò)程等,以及在該環(huán)境下形成的協(xié)同發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)[1]。高寒生態(tài)系統(tǒng)主要分布在高緯度或高海拔、氣候寒冷、凍土分布廣泛的地區(qū)。微生物是生物地球化學(xué)循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)者,微生物群落的組成及其變化影響著生態(tài)系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性。高寒生態(tài)系統(tǒng)是全球氣候變化的敏感區(qū)域,其微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性在很大程度上影響著生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)化方向[2—3]。目前,關(guān)于高寒地帶的微生物群落結(jié)構(gòu)及多樣性的研究已成為國(guó)內(nèi)外生態(tài)學(xué)上研究的熱點(diǎn)[4—10]。Wilhelm 等[11]曾研究了加拿大高北極地融冰層和凍土層土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)融冰層中細(xì)菌群落以酸桿菌門的相對(duì)豐度為最高,其值為30%,凍土層中細(xì)菌群落以放線菌門的相對(duì)豐度為最高,其值為 28%。康寶天等[12]采用 Illumina Miseq 高通量測(cè)序方法,比較了祁連山東緣高寒草甸和河西走廊荒漠平原土壤細(xì)菌多樣性和群落組成,發(fā)現(xiàn)高寒草甸和荒漠平原土壤細(xì)菌多樣性和群落組成差異明顯,土壤總碳、總氮、pH、有機(jī)酸、含水量、容重等是影響兩種草地類型土壤細(xì)菌菌群分布的重要因素。李海云等[13]研究了東祁連山不同退化程度高寒草地土壤細(xì)菌群落分布與環(huán)境因子間的相互關(guān)系,發(fā)現(xiàn)放線菌門、變形菌門和厚壁菌門是不同退化程度草地土壤中的優(yōu)勢(shì)菌門,它們的相對(duì)豐度與土壤 pH、電導(dǎo)率、速效氮、速效鉀呈顯著相關(guān)(P<0.05)。

青藏高原是全球海拔最高、面積最大和獨(dú)特的高原高寒生態(tài)系統(tǒng),儲(chǔ)存著大量的有機(jī)質(zhì),在全球碳平衡、全球氣候變化中起著重要的作用[14]。該地許多方面具有“極地”的屬性,其氣候特點(diǎn)是高寒、缺氧、日照時(shí)間長(zhǎng)、輻射強(qiáng)、降水少,這些氣候因子相互作用形成了青藏高原獨(dú)特的土壤微生物資源。Yuan 等[15]研究了青藏高原念青唐古拉山南坡海拔 4400—5200 m 的高寒草地土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征,發(fā)現(xiàn)細(xì)菌酸桿菌門和變形菌門是該地域的主要菌門,降水量是影響不同海拔高度土壤細(xì)菌分布的最主要環(huán)境因素。Cui 等[3]采用高通量測(cè)序技術(shù)研究了青藏高原東部邊緣的貢嘎山冷杉林根際土壤與非根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和 Alpha 多樣性沿海拔高度的變化情況,發(fā)現(xiàn)隨著海拔高度的變化,土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和 Alpha 多樣性也發(fā)生了顯著變化,但冷杉根際與非根際間土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和 Alpha 多樣性差異并不顯著,土壤總磷、有機(jī)碳、NH4-N 含量是決定土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和Alpha 多樣性的主要因子。曾見有關(guān)于雅魯藏布江支流尼洋河沉積物中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的報(bào)道[16],認(rèn)為尼洋河水體中總氮、總磷、溶解氧、鉻、鍶、鋇和錳是尼洋河沉積物中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要影響因子。但關(guān)于雅魯藏布江下游沿岸建群種植物根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的研究還未見報(bào)道。

土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和組成影響土壤的生物活性[17—18]。土壤微生物物種多樣性較高的土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性也較高,在不良環(huán)境脅迫條件下,其逆境適應(yīng)性和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)能力也強(qiáng)[19—21]。高寒濕地中自然分布著一些對(duì)當(dāng)?shù)刈匀粴夂蚝屯寥拉h(huán)境有著強(qiáng)適應(yīng)能力的野生鄉(xiāng)土植物。這些植物在生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性保護(hù)和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)方面起著重要作用。但是,植物種類的不同,或同一植物生長(zhǎng)發(fā)育階段的不同,其根系所分泌的次生代謝產(chǎn)物也不同,對(duì)土壤微生物群落產(chǎn)生了選擇性效應(yīng),因此,不同植物根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性存在差異,從而導(dǎo)致高寒濕地脆弱生態(tài)系統(tǒng)逆境適應(yīng)能力與恢復(fù)能力產(chǎn)生差異[22—23]。雅魯藏布江是西藏最大的河流,是西藏重要淡水來(lái)源和水氣通道,也是全球海拔最高的河流之一[24—25],屬于典型的高寒生態(tài)系統(tǒng)。本研究擬在雅魯藏布江大峽谷沿岸選取艾草ArtemisiaargyiH. Lév. & Vaniot、白刺花Sophoradavidii(Franch)、黃刺玫RosaxanthinaLindl、八寶Hylotelephiumerythrostictum(Miq.)H. Ohba 4 種高寒生境中典型植物作為研究對(duì)象,采用 Miseq 2500 高通量測(cè)序方法[26—27],探索雅魯藏布江大峽谷沿岸不同植被根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的差異及其變化規(guī)律,為實(shí)現(xiàn)青藏高原高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原的東南部,即西藏自治區(qū)林芝市境內(nèi)的米林縣直白村,北緯 29°33′55″、東經(jīng) 94°54′0″,海拔 3090 m,氣壓 71 kPa,系念青唐古拉山向南延伸的余脈,與喜馬拉雅山東部向北發(fā)展的山系相連,以居南迦巴瓦峰腳下和處于雅魯藏布江大峽谷咽喉而聞名。研究區(qū)處于藏東南溫暖氣候區(qū)與半濕潤(rùn)氣候區(qū)的過(guò)渡地帶,受印度洋暖濕季風(fēng)影響,冬春干燥,夏秋多雨。年降水量 600—1000 mm,年平均氣溫 8—10℃,≥0℃積溫為 3000—3500℃,≥10℃的時(shí)間約 180 d[28]。土壤為新積土和風(fēng)沙土,成土?xí)r間短,質(zhì)地粗,結(jié)構(gòu)和保水保肥能力差,土壤瘠薄。山南寬谷植被基本上屬于山地灌叢草原同一植被型[29]。

1.2 樣品采集

選取雅魯藏布江下游林芝地區(qū)沿江岸 4 種典型建群種植物根際土壤為研究對(duì)象,即菊科蒿屬艾草、豆科槐屬白刺花、景天科八寶屬八寶、薔薇科薔薇屬黃刺玫。以 HE 代表八寶根際土壤,AR 代表艾草根際土壤,SD 代表黃刺玫根際土壤,RN 代表白刺花根際土壤。于 2019年 5 月在樣點(diǎn)采集土壤樣品。每種植物設(shè)置 3 個(gè) 10 m × 10 m 的標(biāo)準(zhǔn)地,每標(biāo)準(zhǔn)地選取 10 株代表性植株,在植株周圍東、南、西、北設(shè) 4 個(gè)取樣點(diǎn),在土壤表層 0—20 cm 處采集直徑少于 0.1 cm 的各植株細(xì)根,用抖落法[30]收集粘附在細(xì)根上的土壤作為植物根際土壤樣品,取樣過(guò)程中去除凋落物等雜質(zhì),將每個(gè)樣地的各土壤樣品混合均勻,用直徑 2 mm 的網(wǎng)篩進(jìn)行過(guò)篩。取 20 g 土樣裝入無(wú)菌聚乙烯封口袋中,放入冰盒中低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室。在實(shí)驗(yàn)室將樣品分成二份,一份取 10 g 置于 4℃ 冰箱中,用于測(cè)定土壤的理化性質(zhì)；另一份取 10 g 用干冰進(jìn)行 -70℃ 低溫保存,用于高通量測(cè)序。

1.3 植物根際土壤的理化性質(zhì)測(cè)定

將采集后的土壤樣品風(fēng)干,并過(guò) 0.25 mm 的網(wǎng)篩,然后進(jìn)行土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。土壤總氮(TN)含量測(cè)定采用凱氏定氮法,土壤有效磷(AP)含量測(cè)定采用 NaHCO3—鉬銻抗比色法,土壤速效鉀(AK)含量測(cè)定采用 NH4OAc 浸提—火焰光度法,土壤有機(jī)質(zhì)含量(SOM)含量測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法,用環(huán)刀法測(cè)定土壤含水量[30],土壤 pH 值測(cè)定采用 1∶2.5 土水比、酸度計(jì)法[32]。

1.4 土壤細(xì)菌基因組 DNA 提取

準(zhǔn)確稱取 0.1 g 土樣,采用 E.Z.N.A.Soil DNA Kit 試劑盒(D5625,Omega,Inc.,USA),提取土樣的總 DNA。經(jīng) 1% 瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè) DNA 提取質(zhì)量,同時(shí)采用紫外分光光度計(jì) Nano Drop ND- 1000 (Nano Drop,Wilmington,DE,USA)對(duì) DNA 進(jìn)行定量測(cè)定。各樣品的 5 份 DNA 樣品隨機(jī)取 3 份等量混均,分別制成 3 個(gè)平行樣品,于 -20℃ 保存、備用。

1.5 PCR 擴(kuò)增及高通量測(cè)序

參考 Caporaso 等[33]的方法,通過(guò)細(xì)菌 16S rDNA V3-V4 區(qū)段引物來(lái)擴(kuò)增各樣品,使用上下引物分別為 341F (5′-CCTACGGGNGGCWGCAG- 3′)和805R (5′-GACTACHVGGGTATCTAATCC- 3′),對(duì) 16S rDNA 基因的(V3-V4)進(jìn)行 PCR 擴(kuò)增。DNA 擴(kuò)增的反應(yīng)條件:為 35 個(gè)循環(huán)(98℃,30S；98℃,10S；54℃,30S；72℃,45S),72℃ 延伸擴(kuò)增 10 min。PCR 產(chǎn)物經(jīng) 2% 瓊脂糖凝膠電泳確證。在整個(gè) DNA 提取過(guò)程中,使用的是超純水,而不是樣品溶液,以排除假陽(yáng)性 PCR 結(jié)果作為陰性對(duì)照的可能性。PCR 產(chǎn)物經(jīng) AMPure XT beads (Beckman Coulter Genomics,Danvers,MA,USA)純化,經(jīng) Qubit(Invitrogen,USA)定量。擴(kuò)增子池用于測(cè)序,擴(kuò)增子文庫(kù)的大小和數(shù)量分別在 Agilent 2100 生物分析儀(Agilent,美國(guó))和 Illumina (Kapa Biosciences,Woburn,MA,美國(guó))的文庫(kù)定量試劑盒上進(jìn)行評(píng)估。在 NovaSeq PE 250 平臺(tái)上對(duì)庫(kù)進(jìn)行排序。

1.6 生信分析流程

各樣品在 Illumina NovaSeq 平臺(tái)上按照制造商的建議進(jìn)行測(cè)序,由 LC-Bio 提供。根據(jù)樣品獨(dú)特的條形碼,將配對(duì)端序列分配給樣品,并將建庫(kù)引入的 barcode 和引物序列去除。使用 FLASH 合并匹配端讀取。根據(jù) fqtrim(v0.94),在特定的過(guò)濾條件下對(duì)原始讀數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量過(guò)濾,以獲得高質(zhì)量的 clean 標(biāo)簽。使用 Vsearch 軟件對(duì)嵌合序列進(jìn)行過(guò)濾(v2.3.4)。利用 DADA2 進(jìn)行解調(diào),得到特征表和特征序列。Alpha 多樣性通過(guò)歸一化到相同的隨機(jī)序列來(lái)計(jì)算。然后根據(jù) SILVA(release 132)分類器,利用每個(gè)樣本的相對(duì)豐度對(duì)特征豐度進(jìn)行歸一化。Alpha 多樣性用于分析樣本物種多樣性的復(fù)雜性,通過(guò) 5 個(gè)指標(biāo),包括Chao1、Observed species、Goods coverage、Shannon、Simpson,各樣本中所有這些指標(biāo)均采用 QIIME2 計(jì)算。采用 Blast 進(jìn)行序列比對(duì),每個(gè)代表性序列用 SILVA 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)特征序列進(jìn)行注釋。其它圖片均是使用 R 包(v3.2.5)實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 4 種江岸植物根際土壤細(xì)菌Alpha 多樣性分析

經(jīng) Miseq 測(cè)序所得樣品數(shù)據(jù)經(jīng)質(zhì)控后,獲得了不同分類水平上相應(yīng)有效序列,不同植物根際土壤細(xì)菌有效序列數(shù)量以黃刺玫為最高,為 50224 條,其次是艾草,有效序列數(shù)是 50029 條,以白刺花為最低,只有 40031 條。經(jīng)質(zhì)控和去除嵌合體后,以相似性在 97% 以上的有效序列視為一個(gè) OTUs,從而得到各植物根際土壤樣品中關(guān)于 OTUs 的豐度信息。如表 1 所示,從 4 種土壤樣品中共分析出 4563—6695 個(gè) OTUs,其中以艾草的 OTUs 數(shù)目最高(6695 個(gè)),其次是黃刺玫(6458 個(gè)),以白刺花的 OTUs 數(shù)目為最低(4563 個(gè))。

表1 4 種江岸植物根際土壤樣品基因組DNA 測(cè)序數(shù)據(jù)及Alpha 多樣性

從4種植物根際土壤樣品中一共分析出 13238 個(gè) OTUs 數(shù)目,其中 4 種植物根際土壤共有 OTUs 數(shù)為 661 個(gè),占 OTUs 總數(shù)的 4.99%,如圖 1。艾草根際土壤細(xì)菌特有 OTUs 數(shù)為 1646 個(gè),占 OTUs 總數(shù)的 12.43%；八寶根際土壤細(xì)菌特有 OTUs 數(shù)為 1352 個(gè),占 OTUs 總數(shù)的 10.21%；白刺花根際土壤細(xì)菌特有 OTUs 數(shù)為 1542 個(gè),占 OTUs 總數(shù)的 11.65%；黃刺玫根際土壤細(xì)菌特有 OTUs 數(shù)為 1858 個(gè),占 OTUs 總數(shù)的 14.04%。

圖1 基于操作分類單元豐度的4種植物根際土壤細(xì)菌群落維恩圖

對(duì)稀釋曲線分析可以反映樣品的取樣深度,能夠評(píng)價(jià)測(cè)序量是否能覆蓋所有類群。從圖2 可以看出,4 種樣品稀釋曲線均趨于平緩,文庫(kù)的覆蓋率均已超過(guò) 93%,說(shuō)明取樣基本合理,樣本的 OTU 覆蓋度已經(jīng)飽和,本次測(cè)序深度可以反映雅魯藏布江下游林芝地區(qū)沿江岸植被根際土壤細(xì)菌群落的真實(shí)情況。

圖2 4 種植物根際土壤樣品細(xì)菌群落的稀釋曲線

表 1 還表明,不同植物其根際土壤細(xì)菌物種豐富度指數(shù)(Chao1 指數(shù))和多樣性指數(shù)(Shannon 指數(shù))也明顯不同。四種植物中,黃刺玫和八寶根際土壤樣品細(xì)菌 Shannon 指數(shù)分別是 10.801 和 10.726,顯著高于艾草和白刺花的 10.221 和 10.052(P<0.05)。而黃刺玫和八寶根際土壤樣品之間,以及艾草和白刺花根際土壤樣品之間其值差異并不顯著(P>0.05)。四種植物中,黃刺玫和艾草根際土壤細(xì)菌 Chao1 指數(shù)均較高,其值分別為 7691.801 和 8000.021,顯著高于其它兩種植物(P<0.05)。而白刺花根際土壤細(xì)菌 Chao1 指數(shù)最低,其值為 5113.664,顯著低于其它三種植物(P<0.05)。

2.2 4 種江岸植物根際土壤細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)組成

通過(guò)對(duì)測(cè)序結(jié)果的物種注釋,從 4 種植物根際土壤樣品中共獲得 28 門、84 綱、156目、262 科、599 屬、1192 種土壤細(xì)菌。變形菌門(Proteobacteria,31.79%—49.02%)、酸桿菌門(Acidobacteria,16.52%—27.33%)及放線菌門(Actinobacteria,9.12%—24.96%)是雅魯藏布江江岸植物根際土壤中的優(yōu)勢(shì)菌群,相對(duì)豐度較高。其次高為擬桿菌門(Bacteroidetes,4.53%—11.30%)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes,4.61%—10.53%)、疣微菌門(Verrucomicrobia,1.58%—5.35%)。在該區(qū)域發(fā)現(xiàn)未分類的細(xì)菌門的相對(duì)豐度為2.27%—3.27%。

在該區(qū)域植物根際土壤中相對(duì)豐度較低的細(xì)菌門有單糖菌門(Saccharibacteria,0.67%—1.46%)、綠灣菌門(Chloroflexia,0.65%—1.21%)、浮霉?fàn)罹T(Planctornyces,2.06%—0.87%)、硝化螺旋菌門(Nitrospira,0.18%—0.72%)、厚壁菌門(Firmicutes,0.24%—0.84%)、裝甲菌門(Armatimonadetes,0.08%—0.27%)。

不同土壤樣品中細(xì)菌群落相對(duì)豐度不同,說(shuō)明各土壤樣品間的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)存在著差異。從分析結(jié)果來(lái)看,各植物根際土壤樣品中變形菌門細(xì)菌的相對(duì)豐度最多的是艾草(49.02%),其次是黃刺玫(44.08%),相對(duì)豐度最低的是白刺花(31.79%)。在各植物根際土壤樣品中細(xì)菌酸桿菌門相對(duì)豐度最高的是八寶(27.33%),其次是黃刺玫(18.53%),相對(duì)豐度最低的為艾草(16.52%)。在各植物根際土壤樣品中細(xì)菌放線菌門相對(duì)豐度最高的為白刺花(24.96%),其次是八寶(11.70%),相對(duì)豐度最低的是艾草(9.12%)。

微生物結(jié)構(gòu)熱圖可以反映不同樣品間物種的組成和差異(圖 4)。由圖 4 可以看出,在門水平上,4 種植物根際土壤樣品中細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)組成表現(xiàn)為黃刺玫和艾草相似,而八寶和另外三種植物相差較大。

從綱水平上來(lái)看(圖 5),在 4 種植物根際土壤樣品中 α-變形菌綱(Alphaproteobacteria,21.44%—37.77%)均為優(yōu)勢(shì)類群,其中艾草根際土壤樣品 α-變形菌綱相對(duì)豐度最高(37.77%),其次是黃刺玫根際土壤樣品,其 α-變形菌綱相對(duì)豐度值為 26.23%,而以八寶和白刺花根際土壤樣品細(xì)菌 α-變形菌綱的相對(duì)豐度較低,其值分別為 21.85% 和 21.44%。在 4 種植物根際土壤樣品中放線菌綱(Actinobacteria)的相對(duì)豐度略少于 α-變形菌綱(8.29%—23.50%),其相對(duì)豐度值依次是白刺花>八寶>黃刺玫>艾草。其它菌綱的相對(duì)豐度從高到低依次為酸桿菌綱 Acidobacteria(5.59%—6.91%)、芽單胞菌綱 Gemmatimonadetes(4.60%—10.02%)、鞘脂桿菌綱 Sphingobacteria(3.68%—9.91%)。此外,還發(fā)現(xiàn)未分類的細(xì)菌綱(2.26%—3.27%)。

圖3 門水平 4 種植物根際土壤樣品中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)

圖4 門水平上4種植物根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)聚類熱圖

圖5 在綱水平上4種植物根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)

2.3 土壤理化性狀對(duì)根際土壤細(xì)菌多樣性指數(shù)及群落結(jié)構(gòu)的影響

在一個(gè)自然生態(tài)系統(tǒng)中,土壤理化性狀決定著其地表植物的種類和分布[34],相應(yīng)地也決定著其植物根際土壤微生物多樣性與群落結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)雅魯藏布江下游江岸建群種植物根際土壤細(xì)菌 Shannon 和土壤理化性狀的相關(guān)性分析(表2),發(fā)現(xiàn)土壤總氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)和土壤含水量與土壤細(xì)菌 Shannon 的相關(guān)性均達(dá)極顯著水平(P<0.01)。土壤 pH 與土壤細(xì)菌 Shannon的相關(guān)性達(dá)顯著水平(P<0.05)。通過(guò)對(duì)建群種植物根際土壤細(xì)菌 Chao1 和土壤理化性狀的相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)土壤總氮、速效鉀、有機(jī)質(zhì)和土壤細(xì)菌 Chao1 間的相關(guān)性均達(dá)顯著水平(P<0.05)。

通過(guò)對(duì)雅魯藏布江下游江岸建群種植物根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與土壤理化性狀的相關(guān)性分析(表 2),發(fā)現(xiàn)土壤 pH、總氮和有機(jī)質(zhì)含量對(duì)建群種植物根際土壤主要優(yōu)勢(shì)細(xì)菌的影響較大,各土壤理化性狀對(duì)各建群植物根際土壤細(xì)菌優(yōu)勢(shì)門的影響順序?yàn)?TN﹥pH﹥O·M。土壤中 TN 含量與土壤細(xì)菌酸桿菌門、芽單胞菌門、疣微菌門的相對(duì)豐度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與土壤細(xì)菌放線菌門、擬桿菌門的相對(duì)豐度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。土壤 pH 與土壤細(xì)菌酸桿菌門、疣微菌門的相對(duì)豐度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與芽單胞菌門的相對(duì)豐度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01),與變形菌門和放線菌門的相對(duì)豐度呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。土壤有機(jī)質(zhì)含量與土壤細(xì)菌變形菌門、放線菌門、擬桿菌門的相對(duì)豐度呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),與酸桿菌門、芽單胞菌門和疣微菌門的相對(duì)豐度呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。土壤含水量與放線菌門的相對(duì)豐度呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與疣微菌門的相對(duì)豐度呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。

表2 雅魯藏布江下游江岸建群種植物根際土壤細(xì)菌門水平群落結(jié)構(gòu)與土壤理化性狀相關(guān)性

3 討論

3.1 雅魯藏布江下游江岸植被根際土壤細(xì)菌的優(yōu)勢(shì)菌門

青藏高原是我國(guó)高原濕地的最重要分布區(qū),是全球海拔最高的一個(gè)高寒生態(tài)系統(tǒng),獨(dú)特的地理環(huán)境使它成為了全球氣候變化的預(yù)警區(qū)和敏感區(qū),其境內(nèi)濕地是我國(guó)長(zhǎng)江、黃河和瀾滄江等的發(fā)源地,具有重要的水源涵養(yǎng)、水土保持和氣候調(diào)節(jié)等生態(tài)功能。土壤微生物在維持生態(tài)系統(tǒng)植被多樣性和促進(jìn)生態(tài)平衡中產(chǎn)生著重要作用,土壤微生物各組成部分的相對(duì)豐度是定量詮釋生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)[12]。研究雅魯藏布江流域植物根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性,對(duì)恢復(fù)和保護(hù)我國(guó)重要的生態(tài)屏障青藏高原具有意義。本研究結(jié)果表明,變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)是雅魯藏布江江岸濕地建群種植物根際土壤的優(yōu)勢(shì)菌門。這與高秀宏等[35]在呼和浩特市大青山白樺根際土壤上測(cè)定的結(jié)果,以及劉興等[36]在研究貴州喀斯特高原地區(qū)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征所得出的結(jié)果是一致的。生態(tài)系統(tǒng)不同、氣候條件不同、土壤類型和植物種類不同,均可使植物根際土壤細(xì)菌群落組成表現(xiàn)不同,既存在相似的細(xì)菌群落組成,也存在各自優(yōu)勢(shì)類群[37—41]。如 Chu 等[42]研究發(fā)現(xiàn),西藏高原西部表層土壤細(xì)菌群落的優(yōu)勢(shì)類群是放線菌門、變形菌門、酸桿菌門、綠灣菌門及芽單胞菌門。Yuan 等[15]研究認(rèn)為,酸桿菌門、變形菌門、芽單胞菌門是唐古拉山南面高山草原土壤細(xì)菌群落的優(yōu)勢(shì)類群。朱平等[43]在研究祁連山中部 4 種典型植被類型土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與多樣性時(shí),發(fā)現(xiàn)放線菌門、酸桿菌門、變形菌門、厚壁菌門及芽單胞菌門是該區(qū)域的優(yōu)勢(shì)類群。Zhang 等[44]研究認(rèn)為變形菌門、放線菌門、酸桿菌門、擬桿菌門是青藏高原北麓河流域草甸、草原和荒漠草原土壤細(xì)菌群落的優(yōu)勢(shì)類群。

3.2 雅魯藏布江下游江岸不同植被根際土壤細(xì)菌群落的變化特征

在雅魯藏布江江岸植物根際土壤中,變形菌門是最主要的細(xì)菌門類,且以 α-變形菌綱豐度最高,這與很多地區(qū)的研究結(jié)果相一致[35—36]。變形菌門細(xì)菌是土壤環(huán)境中的一大類細(xì)菌菌落,其中部分變形菌門細(xì)菌能夠利用有機(jī)物分解產(chǎn)生的氨氣、甲烷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)代謝活動(dòng)[45]。本研究發(fā)現(xiàn)雅魯藏布江江岸菊科植物艾草的根際土壤細(xì)菌變形菌門相對(duì)豐度最高,說(shuō)明這4種植物中該植物根系分解利用枯枝落葉有機(jī)物的能力最強(qiáng),其次是薔薇科植物黃刺玫根際土壤細(xì)菌變形菌門的相對(duì)豐度,而豆科植物白刺花根際土壤細(xì)菌變形菌門的相對(duì)豐度最低。

酸桿菌門細(xì)菌通常存在于貧瘠的土壤,在肥力低下的根際土壤細(xì)菌酸桿菌門豐度值較低[35]。本研究發(fā)現(xiàn)景天科植物八寶根際土壤細(xì)菌酸桿菌門的相對(duì)豐度較高,而豆科植物白刺花根際土壤細(xì)菌酸桿菌門的相對(duì)豐度最低,這是因?yàn)榘藢氈参锿ǔＩL(zhǎng)在干旱、貧瘠的土壤上,而豆科植物白刺花根系上的根瘤菌能夠進(jìn)行固氮作用而提高了其根際土壤肥力。另外二種植物即薔薇科植物黃刺玫和菊科植物艾草的根際土壤細(xì)菌酸桿菌門相對(duì)豐度值在白刺花和八寶根際土壤樣品之間。放線菌門細(xì)菌能夠分解動(dòng)植物殘?bào)w中的纖維素和幾丁質(zhì),可以將它們轉(zhuǎn)變成植物容易吸收的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[36]。在雅魯藏布江沿岸干旱、澇漬頻繁發(fā)生和強(qiáng)鹽堿性土壤條件下,放線菌門是居于第三位的優(yōu)勢(shì)菌群,其相對(duì)豐度以豆科植物白刺花根際土壤樣品為最高,以菊科植物艾草根際土壤樣品為最低,而黃刺玫和八寶的根際土壤樣品的相對(duì)豐度則介于這二者之間。

本研究還發(fā)現(xiàn)雅魯藏布江江岸 4 種植物根際土壤細(xì)菌共有的 OTUs 數(shù)占 OTUs 總數(shù)的比率只有 4.99%。而各植物根際土壤樣品特有的 OTUs 數(shù)占總 OTUs 數(shù)的比例則達(dá)到 10.21%—14.04%,這是因?yàn)檠鹏敳夭冀吨参锷L(zhǎng)的土壤,大多是新積土和風(fēng)沙土,成土?xí)r間短,質(zhì)地粗,結(jié)構(gòu)和保水保肥能力差。這些土壤在枯水季節(jié)暴露在水面之上,經(jīng)寒冰、日曬,以及因風(fēng)力作用而發(fā)生搬遷[46]。總之,由于雅魯藏布江江岸土壤的成土?xí)r間短,再加上風(fēng)力的搬遷作用,就造成了各植被根際土壤細(xì)菌共有的 OTUs 比率較低,而各樣本特有的 OTUs 比率較高的現(xiàn)象。

3.3 雅魯藏布江江岸植被根際土壤芽單胞菌門和酸桿菌門細(xì)菌豐度較高

雅魯藏布江江岸植被根際土壤細(xì)菌的芽單胞菌門相對(duì)豐度較高,為 4.61%—10.13%,其中艾草根際土壤細(xì)菌中芽單胞菌門相對(duì)豐度達(dá)到 10.13%,這是因?yàn)檠繂伟T與其它類群細(xì)菌相比更適應(yīng)在土壤含水率比較低的土壤中生長(zhǎng),且該細(xì)菌很難在酸性土壤中被檢測(cè)得到。芽單胞菌門細(xì)菌具有耐鹽或嗜鹽的特性,適宜在鹽分比較高的土壤中生長(zhǎng)和繁殖。祁連山中部山區(qū)植被根際土壤芽單胞菌門的平均相對(duì)豐度達(dá)到 6.12%[43],在黃河三角洲人工林根際土壤中相對(duì)豐度也只有 4.74%—5.67%[17],而黃河三角洲地區(qū)農(nóng)田土壤鹽堿化程度是我國(guó)較為嚴(yán)重的地區(qū)之一。雅魯藏布江地處青藏高原,江岸土壤電導(dǎo)率和含鹽量均高,因此,導(dǎo)致土壤中芽單胞菌門的相對(duì)豐度較高。艾草是典型的耐干旱耐鹽堿植物,在本研究中其根際土壤芽單胞菌門細(xì)菌相對(duì)豐度達(dá)到 10.13%,這與其它干旱高鹽分地區(qū)的研究結(jié)果相一致[17,43]。

酸桿菌門細(xì)菌具有豐富的編碼纖維素酶和半纖維素酶基因,在對(duì)植物殘?bào)w降解中起到重要作用。在寒冷的微氧或缺氧的高海拔地區(qū),當(dāng)其它纖維素降解菌難以生存時(shí),酸桿菌門細(xì)菌仍能對(duì)纖維素降解起重要作用[47]。另外,有研究認(rèn)為酸桿菌門多存在于肥力低下、營(yíng)養(yǎng)貧瘠的土壤中[47]。本研究區(qū) 4 種植物根際土壤細(xì)菌群落中酸桿菌門的相對(duì)豐度(6.52%—27.33%)較高,僅次于變形菌門。李海東等[24]研究表明,雅魯藏布江沿岸風(fēng)沙土土壤堿性較強(qiáng),土壤有機(jī)質(zhì)和全氮含量很低。因此本文從土壤細(xì)菌酸桿菌門菌群相對(duì)豐度水平上也反映出雅魯藏布江大峽谷流域氣候干旱、土壤養(yǎng)分貧瘠的特點(diǎn)。

3.4 雅魯藏布江江岸植被根際土壤細(xì)菌群落與土壤理化性狀的關(guān)系

植物根際土壤理化因子在很大程度上影響著土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)[48]。劉興等[36]采用 Illumina 高通量測(cè)序方法分析了貴州喀斯特不同植被演替群落下的土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及變化特征,認(rèn)為影響貴州喀斯特高原土壤細(xì)菌的主要土壤理化性狀有土壤有機(jī)碳和土壤總氮。劉海燕等[49]采用 Illumina 高通量測(cè)序的方法對(duì)新疆塔里木河中下游流域棉田及胡楊林土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性特征進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,土壤全氮、鹽分、有機(jī)質(zhì)和土壤 pH 是驅(qū)動(dòng)細(xì)菌群落變異的主要因子。高秀宏等[35]采用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)呼和浩特市大青山天然次生林生態(tài)系統(tǒng)演變過(guò)程中先鋒樹種白樺的根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,土壤全氮、土壤 pH 和含水量是白樺根際土壤優(yōu)勢(shì)細(xì)菌的主要影響因子。朱平等[43]采用了 Illumina 高通量測(cè)序的方法研究了祁連山中部墊狀植被、高寒植被、沼澤草甸和高寒灌叢這 4 種典型植被群落表層土壤的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異,認(rèn)為土壤 pH、土壤含水量、土壤有機(jī)碳和總氮是影響土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要因子。本研究采用同樣的 Illumina 高通量測(cè)序方法分析了雅魯藏布江下游沿岸建群種植物根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)土壤 pH、土壤含水量、土壤有機(jī)質(zhì)和總氮含量是影響建群種植物根際土壤優(yōu)勢(shì)細(xì)菌的主要因素。本研究結(jié)果與高秀宏等[35]和朱平等[43]的研究結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

高寒生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物多樣性對(duì)于維持整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)平衡起著重要作用。本文采用 Illumina 的方法對(duì)雅魯藏布江沿岸 4 種建群種植物根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性進(jìn)行了研究,共獲得 28 門、84 綱、156 目、262 科及 599 屬細(xì)菌,發(fā)現(xiàn)變形菌門、酸桿菌門、放線菌門是雅魯藏布江江岸植物根際土壤的優(yōu)勢(shì)菌群。在細(xì)菌門水平上,4 種植物根際土壤細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)組成表現(xiàn)為黃刺玫和艾草相似,而八寶和另外3種植物相差較大。不同植物其根際土壤細(xì)菌物種豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)也明顯不同。土壤細(xì)菌 OTUs 數(shù)和 Chao1 均以艾草根際土壤樣品為最高,而以白刺花根際土壤樣品為最低。細(xì)菌多樣性指數(shù)以黃刺玫根際土壤樣品為最高,而以白刺花根際土壤樣品為最低。雅魯藏布江江岸植被根際土壤細(xì)菌物種組成豐富,本文的4種典型植物根際土壤細(xì)菌在門水平和綱水平上結(jié)構(gòu)相似,但部分細(xì)菌相對(duì)豐度差異明顯。各植物根際土壤細(xì)菌共有的 OTUs 比率較低,而各植物特有的 OTUs 比率則較高,反映了該區(qū)域土壤大多是新積土和風(fēng)沙土,成土?xí)r間短的特點(diǎn)。高寒地區(qū)土壤大多缺氧、貧瘠、鹽堿性較強(qiáng),造成了該區(qū)域植被根際土壤細(xì)菌酸桿菌門和芽單胞菌門群落相對(duì)豐度較高的現(xiàn)象。雅魯藏布江江岸 4 種建群種植物中,艾草根際土壤細(xì)菌變形菌門相對(duì)豐度最高,說(shuō)明這 4 種植物中該植物根系分解利用枯枝落葉等有機(jī)物的能力最強(qiáng)。土壤 pH、土壤含水量、土壤有機(jī)質(zhì)和總氮含量是影響建群種植物根際土壤優(yōu)勢(shì)細(xì)菌的主要因素,這為預(yù)測(cè)微生物對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)提供了基礎(chǔ)。