騰格里沙漠不同生物土壤結(jié)皮微生物多樣性分析

李靖宇, 張琇

北方民族大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院, 銀川750021

騰格里沙漠不同生物土壤結(jié)皮微生物多樣性分析

李靖宇*, 張琇*

北方民族大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院, 銀川750021

主要采用MiSeq技術(shù)對(duì)騰格里沙漠不同生物土壤結(jié)皮中微生物16S rRNA基因V4-V5區(qū)進(jìn)行測(cè)序, 分析其細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的組成、豐度以及多樣性, 通過(guò)非度量多維尺度法和 Venn圖解釋微生物群落結(jié)構(gòu)對(duì)生物土壤結(jié)皮演化過(guò)程的響應(yīng)。結(jié)果表明不同生物土壤結(jié)皮在門水平上主要以Proteobacteria、Actinobacteria和Cyanobacteria為優(yōu)勢(shì)類群;結(jié)皮下流沙層在門水平上主要以Actinobacteria、Proteobacteria、Chloroflexi和Acidobacteria為優(yōu)勢(shì)類群。在OTUs組成上, 樣品之間存在共同的微生物類群, 也存在差異的微生物類群。結(jié)皮下流沙層的微生物群落結(jié)構(gòu)組成相似, 與結(jié)皮中微生物群落結(jié)構(gòu)的組成差異較大, 且藻結(jié)皮和蘚結(jié)皮中微生物類群差異明顯, 說(shuō)明微生物類群對(duì)生物土壤結(jié)皮的演化過(guò)程做出了環(huán)境響應(yīng)。在從流沙向藻結(jié)皮到蘚結(jié)皮的演化過(guò)程中, 放線菌(Actinobacteria)、藍(lán)細(xì)菌(Cyanobacteria)和變形菌(Proteobacteria)對(duì)結(jié)皮形成、演化的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程發(fā)揮著重要的影響。結(jié)皮中不同微生物類群豐度的差異表明其對(duì)沙漠土壤環(huán)境變化的響應(yīng)以及生態(tài)功能的不同。

微生物群落; 生物土壤結(jié)皮; 沙漠; MiSeq測(cè)序

1 前言

當(dāng)今世界面臨最大的環(huán)境-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)問(wèn)題之一就是土地沙漠化。沙漠化是我國(guó)北方干旱、半干旱及部分半濕潤(rùn)地區(qū)由于人地關(guān)系不相協(xié)調(diào)所造成的以風(fēng)沙活動(dòng)為主要標(biāo)志的土地退化[1]。土地沙漠化面積的迅速擴(kuò)展, 造成環(huán)境退化和巨大的經(jīng)濟(jì)損失,使之成為全球廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)[2]。生物結(jié)皮(biological soil crusts, BSCs) 廣泛分布于荒漠生態(tài)系統(tǒng)中, 其覆蓋度占荒漠地表活體覆蓋的 40%以上, 是荒漠生態(tài)系統(tǒng)的重要構(gòu)建者和組成成分[3]。生物結(jié)皮是由隱花植物如藍(lán)細(xì)菌、藻類、地衣、苔蘚和土壤微生物, 以及相關(guān)的其他生物體通過(guò)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, 在維護(hù)荒漠生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、碳氮循環(huán)和生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著重要作用[3–5]。它們與礦化土壤表面密切相關(guān), 可以形成一層結(jié)合緊密的水平層。這些群落普遍存在于土壤表面的高光輸入的生態(tài)系統(tǒng)中, 但是在其他的大多數(shù)陸地生態(tài)系統(tǒng)中至少以短暫的演替系列群落存在過(guò)。與物理結(jié)皮完全相反,BSCs通過(guò)以下方式增強(qiáng)土壤的質(zhì)量: (1) 形成土壤顆粒團(tuán)聚體, 因此降低風(fēng)蝕和水蝕的作用[6]; (2) 增加土壤表面的溫度[7]; (3) 改變雨水滲透平衡[8]; (4)通過(guò)碳氮固定增加土壤肥力[9]。BSCs擁有不同的生活史特征來(lái)增強(qiáng)它們?cè)趪?yán)酷環(huán)境中的定殖能力, 主要包括: (1) 小繁殖體的風(fēng)力擴(kuò)散; (2) 耐干旱[10]; (3)不同的光合保護(hù)色素[11]; (4) 氮的固定[12]; (5) 碳的固定[9]。隨著人工植被-土壤系統(tǒng)的演替, 沙丘表面逐漸形成生物土壤結(jié)皮(biological soil crust, BSC),被認(rèn)為是生態(tài)系統(tǒng)的先驅(qū)者, 第一個(gè)初級(jí)生產(chǎn)者,從藍(lán)細(xì)菌為優(yōu)勢(shì)的結(jié)皮向混生的藻類(綠藻和硅藻)結(jié)皮、地衣結(jié)皮和蘚類結(jié)皮逐漸演變[13], 可以固定碳和增加土壤有機(jī)質(zhì)來(lái)減少風(fēng)蝕和水蝕。他們?cè)诨哪寥乐械亩ㄖ部纱龠M(jìn)維管植物的生長(zhǎng), 并在氮平衡過(guò)程中起著重要的作用。

土壤微生物作為生態(tài)系統(tǒng)中重要組分之一, 推動(dòng)著生態(tài)系統(tǒng)的能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán), 在維持生態(tài)系統(tǒng)整體服務(wù)功能方面發(fā)揮著重要作用。微生物是土壤最活躍的組成, 從定植于土壤母質(zhì)的藍(lán)細(xì)菌開始, 到土壤肥力的形成, 土壤微生物參與了土壤發(fā)生、發(fā)展、發(fā)育的全過(guò)程[14]。針對(duì) BSCs在沙坡頭沙漠固沙過(guò)程中微生物多樣性, 特別是采用高通量測(cè)序技術(shù)手段解析微生物多樣性的相關(guān)研究較少。本文以寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭地區(qū)不同結(jié)皮類型土壤為研究對(duì)象, 采用高通量測(cè)序技術(shù), 對(duì)其土壤微生物多樣性進(jìn)行了深入的探討。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)域與樣品采集

研究區(qū)域主要設(shè)在寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭地區(qū)騰格里沙漠東南緣(37°32′N, 105°02′E)。該地區(qū)年均氣溫 10.0 ℃, 低溫極值–25.1 °C, 高溫極值38.1 °C, 全年日照時(shí)數(shù)3264 h, 年均降水量186.2 mm(1956—2012年), 年潛在蒸發(fā)量 3000 mm, 年均風(fēng)速2.9 m/s, 年均沙暴天數(shù)59天[15]。

選取沙坡頭人工固沙區(qū)域中藻結(jié)皮和蘚結(jié)皮發(fā)育良好的位點(diǎn)進(jìn)行垂直取樣, 分為結(jié)皮層和結(jié)皮下流沙層, 共 4個(gè)樣品, 分別標(biāo)記為 C1_1(藻結(jié)皮樣品), C1_2(藻結(jié)皮下流沙層樣品), C2_1(蘚結(jié)皮樣品),C2_2(蘚結(jié)皮下層流沙層樣品)。土壤樣品的采集按照S型五點(diǎn)取樣法。將土樣帶回實(shí)驗(yàn)室冷藏保存, 用于后續(xù)MiSeq測(cè)序研究, 具體信息見(jiàn)圖1和表1。

2.2 沙漠土壤總DNA提取

沙漠樣品微生物 DNA 的提取參照 E.Z.N.A.?Soil DNA Kit提取試劑盒(Omega Bio-tek, Norcross,GA, U.S.)的說(shuō)明書進(jìn)行提取。

2.3 16S rRNA V4-V5區(qū)Illumina MiSeq測(cè)序

PCR采用TransGen AP221-02: TransStart Fastpfu DNA Polymerase, 20 μL 反應(yīng)體系:

圖1 土壤樣品采集地圖Fig. 1 Figure of soil samples collected

表1 不同樣品的基本信息Tab. 1 Basic information for different samples

2.0 μL 2.5×10–3mol·L–1dNTPs, 0.8 μL 0.5×10–5mol·L–1515F 引物(5'-GTG CCA GCM GCC GCG G-3'), 0.8 μL 0.5×10–5mol·L–1907R 引物(5'-CCG TCA ATT CMT TTR AGT TT-3'), 4.0 μL 5×FastPfu 緩沖液, 10 ng 模板以及 0.4 μL Fast Pfu Polymerase, 最后加ddH2O到 20 μL。

反應(yīng)條件: 95 °C 3 min; 95 °C 30 s, 55 °C 30 s,72 °C 45 s, 27 個(gè)循環(huán); 72 °C 10 min。

獲得的 PCR產(chǎn)物進(jìn)行 2%瓊脂糖凝膠電泳, 使用AXYGEN 公司的AxyPrep DNA凝膠回收試劑盒切膠回收PCR產(chǎn)物, Tris-HCL洗脫; 使用Promega公司的QuantiFluor? -ST藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。按每個(gè)樣品的等比例混合, 然后根據(jù) Illumina MiSeq測(cè)序平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行雙端測(cè)序。

2.4 測(cè)序數(shù)據(jù)分析

Miseq測(cè)序得到的是雙端序列數(shù)據(jù), 首先根據(jù)PE reads之間的overlap關(guān)系, 將成對(duì)的reads 拼接merge)成一條序列, 同時(shí)對(duì)reads的質(zhì)量和merge的效果進(jìn)行質(zhì)控過(guò)濾, 根據(jù)序列首尾兩端的barcode和引物序列區(qū)分樣品得到有效序列, 并校正序列方向。數(shù)據(jù)去雜方法和參數(shù): 過(guò)濾read尾部質(zhì)量值20以下的堿基, 設(shè)置50 bp的窗口, 如果窗口內(nèi)的平均質(zhì)量值低于 20, 從窗口開始截去后端堿基, 過(guò)濾質(zhì)控后50 bp以下的read; 根據(jù)PE reads之間的overlap關(guān)系, 將成對(duì) reads拼接(merge)成一條序列, 最小overlap長(zhǎng)度為10 bp; 拼接序列的overlap區(qū)允許的最大錯(cuò)配比率為 0.2, 篩選不符合序列; 根據(jù)序列首尾兩端的barcode和引物區(qū)分樣品, 并調(diào)整序列方向,barcode允許的錯(cuò)配數(shù)為0, 最大引物錯(cuò)配數(shù)為2; 且去掉包含模糊堿基的序列。

用UPARSE(version7.1 http://drive5.com/uparse/)軟件聚類生成操作分類單元(Operational Taxonomic Units, OTUs), 相似度為97%。再用UCHIME軟件鑒別嵌合體序列, 并將之去除。分類學(xué)比對(duì)時(shí), 用silva (SSU115)16S核糖體RNA數(shù)據(jù)庫(kù), 算法為RDP Classifier (http://rdp.cme.msu.edu/), 置信閾值為70%。使用97%相似度的OTU, 利用mothur做rarefaction分析, 利用R語(yǔ)言工具制作曲線圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 測(cè)序數(shù)據(jù)概況

生物土壤結(jié)皮(BSCs)在沙漠生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的作用。為了比較沙坡頭沙漠固沙區(qū)不同生物土壤結(jié)皮類型的微生物多樣性, 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)取樣共4個(gè),根據(jù)Youssef報(bào)道V4-V5區(qū)序列對(duì)微生物多樣性的估計(jì)與全長(zhǎng)16S rRNA序列得到的微生物多樣性最接近, 因此本文選擇V4-V5區(qū)序列進(jìn)行群落結(jié)構(gòu)和多樣性的分析[16]。共獲得有效序列146871條, 其中C1_1包含36670條, C1_2包含30126條, C2_1包含42282條, C2_2包含37793條, 平均長(zhǎng)度為396 bp。為了得到更高質(zhì)量的優(yōu)化序列, 根據(jù) uparse軟件聚類, 去除單條序列和部分嵌合體被[17]。最后C1_1包含24555條, C1_2包含16214條, C2_1包含26195條, C2_2包含21705條。根據(jù)稀釋性曲線, 測(cè)序深度基本可以真實(shí)反映沙漠環(huán)境中不同生物土壤結(jié)皮類型微生物群落結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況, 見(jiàn)圖2。

3.2 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的組成、豐度與多樣性

圖2 樣品稀釋曲線圖Fig. 2 Rarefaction curves of samples

表2 不同樣品的基本信息Tab. 2 Basic information for different samples

在相似性為 0.97的水平上, 通過(guò) OTUs分析,C1_1包含1070個(gè)OTUs, C1_2包含1359個(gè)OTUs,C2_1包含1220個(gè)OTUs, C2_2包含1492個(gè)OTUs,見(jiàn)表2。從C1_1到C2_2的4個(gè)樣品中, Chao1指數(shù)范圍為 1311-1798; Ace指數(shù)范圍為 1295-1790。Simpson是用來(lái)估算樣品中微生物多樣性的指數(shù)之一, 其值越大, 說(shuō)明群落多樣性越低, 從 C1_1到C2_2的4個(gè)樣品中, 其指數(shù)范圍為0.0093-0.0265。Shannon是用來(lái)估算樣品中微生物多樣性指數(shù)之一,它與Simpson多樣性指數(shù)常用于反映alpha多樣性指數(shù), 其值越大, 說(shuō)明群落多樣性越高, 從 C1_1到C2_2的4個(gè)樣品中, 其指數(shù)范圍為5.04-5.91。覆蓋度指數(shù)范圍為97.91%-98.92%(見(jiàn)表2)。

在門水平上, 主要涵蓋了Cyanobacteria、Proteobacteria、Acidobacteria、Actinobacteria、Bacteroidetes、Chloroflexi、Planctomycetes。其中, C1_1樣品中各類群相對(duì)豐度依次為: Cyanobacteria(37.32%)＞Proteobacteria(14.80%)＞Acidobacteria(14.01%)＞Actinobacteria(12.58%)＞Bact eroidetes(5.79%)＞Chloroflexi(5.58%)＞Planctomycetes(4.61%); C1_2樣品中各類群相對(duì)豐度依次為:Actinobacteria(37.26%)＞Proteobacteria(17.98%)＞Chloroflexi(13.46%)＞Acidobacteria(11.95%)＞Planctomycetes(6.19%)＞Firmicutes(3.42%); C2_1樣品中各類群相對(duì)豐度依次為: Proteobacteria(29.94%)＞ Cyanobacteria(16.38%)＞Actinobacteria(11.29%)＞Bacteroidetes(10.2 5%)＞Acidobacteria(9.58%)＞Planctomycetes(9.30%)＞Chloroflexi(4.12%)＞Verrucomicrobia(3.74%); C2_2 樣品中各類群相對(duì)豐度依次為: Proteobacteria(25.44%)＞Actinobacteria(24.65%)＞Acidobacteria(11.90%)＞Chlo roflexi(10.32%)＞Planctomycetes(8.66%)＞Bacteroidetes(5.58%)＞Firmicutes(4.09%)。

圖 3 不同樣地細(xì)菌群落在門水平(A)和屬水平(B)上的組成和相對(duì)豐度Fig. 3 Bacteria composition and relative abundance of different samples at phylum level (A) and genus level (B)

在屬水平上, 不同樣品類群組成差異明顯, 見(jiàn)圖 3。其中 C1_1樣品優(yōu)勢(shì)類群為 Others(20.94%)＞Microcoleus(14.58%)＞Blastocatella(9.72%)＞Mastigoc ladopsis(7.92%); C1_2樣品優(yōu)勢(shì)類群為 Others(28.76%)＞Nocardioides(14.68%); C2_1樣品優(yōu)勢(shì)類群為 Others(30.52%)＞Cyanobacteria_no_rank(14.70%)＞W(wǎng)D2101_soil_group_no_rank(5.47%)＞Opitutus(3.71%)＞Devosia(3.42%)＞Bryobacter(3.16%); C2_2 樣品優(yōu)勢(shì)類群為Others(33.49%)＞JG34-KF-361_no_rank(8.94%)＞Subgroup_6_no_rank(4.93%)＞Nocardioides(4.52%)＞Arthrobacter(3.510%)。在屬的水平上, 無(wú)法在數(shù)據(jù)庫(kù)中找到相似序列的比例明顯提高, 范圍值為 20.94%-33.49%。

3.3 不同結(jié)皮土壤微生物群落的比較

為了說(shuō)明不同生物土壤結(jié)皮微生物群落的差異,通過(guò) Venn圖直觀反映微生物群落結(jié)構(gòu)組成的差異,并發(fā)現(xiàn)這些環(huán)境中的“核心微生物群落”[18]。經(jīng)過(guò)分析可知, 在OTUs組成上, 藻結(jié)皮與蘚結(jié)皮之間既有共同的微生物類群, 也存在不同的微生物類群;藻結(jié)皮下流沙層與蘚結(jié)皮下流沙層之間既有共同的微生物類群, 也存在不同的微生物類群; 4個(gè)樣品之間存在共同的微生物類群, 也存在不同的微生物類群。同時(shí), 由圖4可以說(shuō)明, 在沙漠這種極端環(huán)境中,生物土壤結(jié)皮及其下層流沙層微生物群落變化之大,但核心類群較為明顯, 可能在結(jié)皮的形成等生物地球化學(xué)循環(huán)中發(fā)揮著重要的作用。

非度量多維尺度法是一種將多維空間的研究對(duì)象(樣本或變量)簡(jiǎn)化到低維空間進(jìn)行定位、分析和歸類, 同時(shí)又保留對(duì)象間原始關(guān)系的數(shù)據(jù)分析方法。其特點(diǎn)是根據(jù)樣本中包含的物種信息, 以點(diǎn)的形式反映在多維空間上, 而對(duì)不同樣本間的差異程度,則是通過(guò)點(diǎn)與點(diǎn)間的距離體現(xiàn)的, 最終獲得樣本的空間定位點(diǎn)圖。由圖5并結(jié)合實(shí)際情況可知, 2種結(jié)皮下流沙層的微生物群落結(jié)構(gòu)組成相似, 但其與2種結(jié)皮中微生物群落結(jié)構(gòu)的組成差異較大, 且藻結(jié)皮和蘚結(jié)皮中微生物類群差異明顯。在結(jié)皮形成、發(fā)育過(guò)程中存在明顯的演替, 見(jiàn)圖5。藻結(jié)皮及其下層流沙和蘚結(jié)皮及其下層流沙在垂向分布上差異明顯, 主要體現(xiàn)在兩大類微生物的變化上, 放線菌(Acidobacteria)豐度從結(jié)皮下流沙層向結(jié)皮層明顯下降, 藍(lán)細(xì)菌(Cyanobacteria)豐度增加明顯, 見(jiàn)圖6A和圖6B。在藻結(jié)皮向蘚結(jié)皮演化的過(guò)程中, 變形菌(Proteobacteria)豐度增加明顯, 藍(lán)細(xì)菌(Cyanobacteria)豐度下降明顯, 放線菌(Acidobacteria)豐度變化不明顯。

圖4 不同樣品之間比較的韋恩圖Fig. 4 Venn diagram of representing the number of OTUs isolated from each sample and the overlap of OTUs among the samples

4 討論

圖6 不同樣品間微生物類群比較Fig. 6 Comparison of microbial community between different samples

騰格里沙漠東南緣包蘭鐵路兩側(cè)的沙坡頭地區(qū)屬于典型的溫帶荒漠化草原向草原化荒漠的過(guò)渡帶, 利用草方格固定沙丘表面并種植旱生灌木形成人工固沙植被后, 生物結(jié)皮開始發(fā)育并不斷拓殖和演替, 該區(qū)域內(nèi)廣泛分布著不同發(fā)育階段的生物土壤結(jié)皮[19–20]。從藍(lán)細(xì)菌為優(yōu)勢(shì)的結(jié)皮向混生的藻類(綠藻和硅藻)結(jié)皮、地衣結(jié)皮和蘚類結(jié)皮逐漸演變[13]。其中, 蘚類結(jié)皮作為生物土壤結(jié)皮層的優(yōu)勢(shì)組分,其繁衍與拓殖對(duì)生態(tài)水文過(guò)程、土壤理化過(guò)程和養(yǎng)分循環(huán)過(guò)程具有深遠(yuǎn)影響[19]。50 年后形成了高等植物和結(jié)皮隱花植物鑲嵌分布的穩(wěn)定格局, 成為沙漠化逆轉(zhuǎn)和生態(tài)恢復(fù)的典型案例[20]。微生物群落作為隱藏的力量在生物土壤結(jié)皮生態(tài)過(guò)程中發(fā)揮著怎樣的作用, 還鮮為人知？為了深入探討這個(gè)科學(xué)問(wèn)題,本文首先從解析其微生物群落結(jié)構(gòu)入手, 采用宏基因組學(xué)技術(shù)手段最大限度的反應(yīng)環(huán)境中微生物群落結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況。本文采用 Miseq測(cè)序技術(shù), 針對(duì)沙坡頭2種不同生物土壤結(jié)皮及其下層流沙層微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性進(jìn)行了深度測(cè)序, 覆蓋度數(shù)據(jù)表明測(cè)序結(jié)果可以反映土壤樣品的微生物群落結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況。結(jié)皮下層土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成相似, 并逐漸演化為藻結(jié)皮, 然后向著蘚結(jié)皮發(fā)展演變。藻結(jié)皮代表結(jié)皮發(fā)育演替的初級(jí)階段, 但它們卻能夠通過(guò)改善表土微環(huán)境來(lái)增加晚期結(jié)皮物種拓殖生存的可能性, 從而促進(jìn)結(jié)皮的發(fā)育演替[21]。蘚結(jié)皮作為演替階段后期的生物土壤結(jié)皮, 結(jié)皮層厚(見(jiàn)圖 1), 土壤基質(zhì)養(yǎng)分的有效性提高, 能夠?yàn)橥寥牢⑸锾峁└?、更豐富的食物來(lái)源, 因而其覆蓋土壤中的微生物及線蟲的豐富度較高(見(jiàn)表2)[22]。根據(jù)韋恩圖分析結(jié)果, 盡管不同樣品之間存在一定的差異, 但是存在共有微生物類群, 可能在沙坡頭沙漠生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著核心作用, 差異微生物類群可能在結(jié)皮的形成、演化過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。NMDS分析驗(yàn)證了這一結(jié)果。其中從流沙向藻結(jié)皮到蘚結(jié)皮的演化過(guò)程中, 放線菌(Acidobacteria)豐度、藍(lán)細(xì)菌(Cyanobacteria)豐度、變形菌(Proteobacteria)豐度變化明顯, 說(shuō)明這 3類微生物在此過(guò)程中具有重要的作用, 其中藍(lán)細(xì)菌(Cyanobacteria)豐度先增高后減小, 這與吳麗等[21]報(bào)道的隨著結(jié)皮的發(fā)育演替, 微藻生物量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)一致, 說(shuō)明藍(lán)細(xì)菌在演化過(guò)程中的藻結(jié)皮階段具有更為重要的作用,而變形菌在蘚結(jié)皮階段具有更加重要的作用。隨著結(jié)皮的發(fā)育演替, 結(jié)皮中生物群落結(jié)構(gòu)不斷變化,在固碳、固氮效率、抗壓強(qiáng)度、土壤質(zhì)地、土壤孔隙度等方面存在明顯差別, 進(jìn)而影響結(jié)皮的生態(tài)功能[21]。藍(lán)細(xì)菌Microcoleus通過(guò)形成由外鞘包圍的絲狀體來(lái)增強(qiáng)生物土壤結(jié)皮(BSC)的物理穩(wěn)定性, 具有固氮功能的藍(lán)細(xì)菌是土壤氮源的重要來(lái)源, 藍(lán)細(xì)菌豐度高的BSCs較豐度低的BSCs預(yù)期有較高的氮含量[23], 顯著高于無(wú)結(jié)皮沙地的氮含量[24]。蘚類結(jié)皮的繁衍和拓殖能夠提高土壤的供氮能力, 促進(jìn)氮素循環(huán), 有助于土壤生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)[19]。

5 結(jié)論

藻結(jié)皮和蘚結(jié)皮作為生物土壤結(jié)皮演化的2個(gè)重要階段在沙漠生態(tài)系統(tǒng)功能中發(fā)揮著重要的作用。在從流沙向藻結(jié)皮到蘚結(jié)皮的演化過(guò)程中, 放線菌(Actinobacteria)、藍(lán)細(xì)菌(Cyanobacteria)和變形菌(Proteobacteria)對(duì)結(jié)皮形成、演化的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程發(fā)揮著重要的影響。結(jié)皮中不同微生物類群豐度的差異表明其對(duì)沙漠土壤環(huán)境變化的響應(yīng)以及生態(tài)功能的不同。

1] 王濤, 朱震達(dá). 我國(guó)沙漠化研究的若干問(wèn)題—1. 沙漠化的概念及其內(nèi)涵 [J]. 中國(guó)沙漠, 2003, 23(3): 209–214.

2] 王濤, 趙哈林. 中國(guó)沙漠科學(xué)的五十年 [J]. 中國(guó)沙漠,2005, 25(2): 145–165.

3] BOWKER M A. Biological soil crust rehabilitation in theory and practice: an underexploited opportunity [J].Restoration Ecology, 2007, 15(1): 13–23.

4] SERPE M D, ORM JM, BARKES T, et al. Germination and seed water status of four grasses on moss-dominated biological soil crusts from arid lands [J]. Plant Ecology,2006, 185(1): 163–178.

5] ZHANG Y M, CHEN J, WANG L, et al. The spatial distribution patterns of biological soil crusts in the Gurbantunggut desert, Northern Xinjiang, China [J].Journal of Arid Environments, 2007, 68(4): 599–610.

6] MAZOR G, KIDRON G J, VONSHAK A, et al. The role of cyanobacterial exopolysaccharides in structuring desert microbial crusts [J]. FEMS Microbiology Ecology, 1996,21(2): 121–130.

7] GOLD W G, BLISS L C. Water limitations and plant community development in a polar desert [J]. Ecology,1995, 76(5): 1558–1568.

8] KIDRON G J, YAIR A. Rainfall-runoff relationships over encrusteddune surfaces, Nizzana, western Negev, Israel [J].Earth Surface Processes Landforms, 1997, 22(12): 1169–1184.

[9] LANGE O L, MEYER A, ZELLNER H, et al.Photosynthesis and water relationships of lichen soil crusts:field measurements in the coastal fog zone of the Namib desert [J]. Functional Ecology, 1994, 8(2): 253–264.

[10] OLIVER M J, MISHLER B D, QUISENBERRY J E.Comparative measures of desiccation-tolerance in the tortula ruralis complex. I. variation in damage control and repair [J].American Journal of Botany, 1993, 80(2): 127–136.

[11] BOWKER M A, REED S C, BELNAP J, et al. Temporal variation in community composition, pigmentation, and Fv/Fm of desert cyanobacterial soil crusts [J]. Microbial Ecology, 2002, 43(1): 13–25.

[12] EVANS R D, EHLERINGER J R. A break in the nitrogen cycle of aridlands? Evidence from δ15N of soils [J].Oecologia, 1993, 94(3): 314–317.

[13] LI X R, XIAO H L, ZHANG J G, et al. Long-term ecosystem effects of sand-binding vegetation in the Tengger Desert, Northern China [J]. Restoration Ecology,2004, 12(3): 376–290.

[14] 宋長(zhǎng)青, 吳金水, 陸雅海, 等. 中國(guó)土壤微生物學(xué)研究10年回顧 [J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2013, 28(10): 1087–1105.

[15] 李新榮, 張志山, 譚會(huì)娟, 等. 我國(guó)北方風(fēng)沙危害區(qū)生態(tài)重建與恢復(fù): 騰格里沙漠土壤水分與植被承載力的探討[J]. 中國(guó)科學(xué): 生命科學(xué), 2014, 44: 257–266.

[16] YOUSSEF N, SHEIK C S, KRUMHOLZ L R, et al.Comparison of species richness estimates obtained using nearly complete fragments and simulated pyrosequencinggenerated fragments in 16S rRNA gene-based environmental surveys [J]. Applied and Environmental Microbiology, 2009, 75(16): 5227–5236.

[17] EDGAR R C. UPARSE: highly accurate OTU sequences from microbial amplicon reads [J]. Nature Methods, 2013,10(10): 996–1000.

[18] SHADE A, HANDELSMAN J. Beyond the Venn diagram:the hunt for a core microbiome [J]. Environmental Microbiology, 2012, 14(1): 4–12.

[19] 虎瑞, 王新平, 潘顏霞, 等. 沙坡頭地區(qū)蘚類結(jié)皮土壤凈氮礦化作用對(duì)水熱因子的響應(yīng) [J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2014,25(2): 394–400.

[20] 胡宜剛, 馮玉蘭, 張志山, 等. 沙坡頭人工植被固沙區(qū)生物結(jié)皮-土壤系統(tǒng)溫室氣體通量特征 [J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2014, 25(1): 61–68.

[21] 吳麗, 張高科, 陳曉國(guó), 等. 生物結(jié)皮的發(fā)育演替與微生物生物量變化[J]. 環(huán)境科學(xué), 2014, 35(4): 1479–1485.

[22] 徐冰鑫, 陳永樂(lè), 胡宜剛, 等. 干旱過(guò)程中荒漠生物土壤結(jié)皮-土壤系統(tǒng)的硝化作用對(duì)溫度和濕度的響應(yīng)—以沙坡頭地區(qū)為例[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 26(4):1113–1120.

[23] LANGHANS T M, STORM C, SCHWABE A. Community assembly of biological soil crusts of different successional stages in a temperate sand ecosystem, as assessed by direct determination and enrichment techniques [J]. Microbial Ecology, 2009, 58(2): 394–407.

[24] THOMAS A D, DOUGILL A J. Distribution and characteristics of cyanobacterial soil crusts in the Molopo Basin,South Africa [J]. Journal of Arid Environments, 2006, 64(2):270–283.

Microbial diversity analysis of different biological soil crusts in Tengger desert

LI Jingyu1,*ZHANG Xiu1,*
College of Biological Science & Engineering, North Minzu Univesity, Yinchuan 750021, China

MiSeq technology was used to detect soil bacterial community composition, abundance and diversity based on the V4-V5 regions of 16S rRNA gene in different biological soil crusts in Tengger desert. NMDS plot and Venn diagram were used o analyze the responses of bacterial community to evolution process of BSCs. The results showed that the overall phylum-level composition of different BSCs samples was dominated by Proteobacteria, Actinobacteria and Cyanobacteria, and dominated groups of Actinobacteria, Proteobacteria, Chloroflexi and Acidobacteria for quicksand beneath the BSCs. Core microbiome existed based on OTUs composition, although there were some differences between different samples. The composition of microbial structure was similar among samples beneath the BSCs, which was very different from that of BSCs, while there were ignificantly difference between algae crust and moss crust, indicating that microbial population had environmental responses to evolution process of different biological soil crusts. From quicksand to algal crusts followed by moss crust, Actinobacteria,Cyanobacteria and Proteobacteria played important roles in biogeochemical cycles of development and evolution of BSCs. The elative abundance of soil bacterial community composition was very different, indicating that its response to variation of desert oil environment and have different ecological function.

microbial communities; biological soil crust; desert; MiSeq sequencing

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.03.006

X172

A

1008-8873(2017)03-036-07

李靖宇, 張琇. 騰格里沙漠不同生物土壤結(jié)皮微生物多樣性分析[J]. 生態(tài)科學(xué), 2017, 36(3): 36-42.

LI Jingyu, ZHANG Xiu. Microbial diversity analysis of different biological soil crusts in Tengger desert[J]. Ecological Science, 2017,36(3): 36-42.

2015-11-16;

2015-12-17

北方民族大學(xué)引進(jìn)人才科研啟動(dòng)項(xiàng)目(44/4400302502); 寧夏自然科學(xué)基金(NZ15098); 國(guó)家自然科學(xué)基金(41661053)

李靖宇(1986—), 男, 內(nèi)蒙古包頭人, 博士, 講師, 主要從事微生物生態(tài)學(xué)研究, E-mail: lijingyu1986@126.com

*通信作者:張琇, 男, 博士, 教授, 主要從事微生物生態(tài)學(xué)研究, E-mail: zhangxiu101@aliyun.com