顧美英,徐萬(wàn)里,張志東,唐光木,唐琦勇,雇玉忠,宋素琴,古麗尼沙·沙依木,楊 波,馮 雷
(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院微生物應(yīng)用研究所,烏魯木齊 830091;2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院土壤肥料與農(nóng)業(yè)節(jié)水研究所,烏魯木齊 830091;3.烏魯木齊市永豐天農(nóng)農(nóng)業(yè)科技公司,烏魯木齊 830000;4.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝作物研究所,烏魯木齊 830091)
【研究意義】核桃(JuglansregiaL.)是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)樹(shù)種,新疆憑借得天獨(dú)厚的水土光熱資源和豐富的特色品種資源,已成為核桃的主產(chǎn)區(qū)之一。目前,新疆核桃種植面積約為2.8 × 105hm2(420萬(wàn)畝),居全國(guó)第3位,產(chǎn)量近2.4 × 105t[1]。近年來(lái),新疆核桃產(chǎn)業(yè)向基地化、規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展,但由于栽培技術(shù)落后和水肥管理粗放,多年種植的核桃園出現(xiàn)盛果期縮短、樹(shù)體早衰、抗逆性差、病蟲(chóng)害加重,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力降低等生長(zhǎng)障礙問(wèn)題[2-3]。在核桃病害中,發(fā)病比較嚴(yán)重的核桃腐爛病是典型的潛伏浸染的真菌病害,該病已成為影響核桃生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的主要原因[4-5]。目前生產(chǎn)中仍以化學(xué)防治為主,但化學(xué)殺菌劑存在易污染環(huán)境,對(duì)人畜不安全,農(nóng)藥殘留等問(wèn)題[6]。對(duì)果樹(shù)根區(qū)微生物生態(tài)研究不僅對(duì)土壤微生態(tài)理論研究有重要意義,而且通過(guò)調(diào)控果樹(shù)根區(qū)微生物多樣性,可以實(shí)現(xiàn)果樹(shù)持續(xù)健康生長(zhǎng)。【前人研究進(jìn)展】土壤微生物多樣性與植物健康狀況之間的關(guān)系已成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn),土壤微生物生態(tài)是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,其健康與否,將直接關(guān)系到植株的生長(zhǎng)發(fā)育以及品質(zhì),影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[7-9]。國(guó)內(nèi)外的一些研究表明,植物病害與土壤微生物生態(tài)失衡有一定的關(guān)系[10-13],果樹(shù)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及其組成變化與果樹(shù)抗逆性和病害的發(fā)生密切相關(guān)。已有研究表明,土壤可培養(yǎng)細(xì)菌、放線菌的減少及優(yōu)勢(shì)細(xì)菌分布不均,以及酶活性的降低可能是影響櫻桃樹(shù)"黑疙瘩"病發(fā)生的原因之一[14]。與健康的晚棱臍橙相比,在感染黃龍病前期其土壤生物學(xué)性質(zhì)的變化不大;在感染的中后期,由于根系在營(yíng)養(yǎng)缺乏和病害的雙重影響下逐漸壞死,根系生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞,晚棱臍橙土壤的微生物數(shù)量、土壤酶活性及土壤微生物功能多樣性均明顯下降[15]。但也有研究表明,土壤中微生物多樣性和微生物總體數(shù)目與果樹(shù)根癌病的發(fā)生沒(méi)有顯著相關(guān)性,但土壤中存在的個(gè)別菌種對(duì)病害發(fā)生有顯著影響[16]。吳斌等[17]研究發(fā)現(xiàn)小麥黃花葉病毒病發(fā)病嚴(yán)重地塊的土壤微生物總量均高于輕病地塊,真菌數(shù)量和種類的增加尤為顯著,其次為細(xì)菌,放線菌基本無(wú)變化?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】土壤微生物和病原體宿主特異性在植物健康中發(fā)揮重要作用[18],果園土壤微生物多樣性下降導(dǎo)致果樹(shù)病害的加重已成為威脅果園生態(tài)健康的一個(gè)重要問(wèn)題[19-20]。研究土壤微生物數(shù)量和功能多樣性與核桃腐爛病之間的關(guān)系。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以不同腐爛病發(fā)病程度的核桃樹(shù)為研究對(duì)象,以健康植株為對(duì)照,采用可培養(yǎng)微生物計(jì)數(shù)和Biolog微平板的方法,探索核桃土壤微生物群落多樣性與腐爛病發(fā)生的關(guān)系,為核桃腐爛病微生物調(diào)控技術(shù)的研究奠定良好的理論基礎(chǔ)。
1.1 材 料
試驗(yàn)所需土壤樣品,采集于新疆阿克蘇地區(qū)溫宿縣核桃林場(chǎng)三隊(duì)12年生核桃園。該地位于塔里木盆地北緣,全年近230 d無(wú)霜期,屬典型的溫帶大陸性氣候,晝夜溫差懸殊。年平均氣溫10.1℃,極端最高氣溫40.9℃,極端最低氣溫-27.4℃;年均日照2 747.7 h,年均降水量65.4 mm;年均無(wú)霜期185 d。采集土樣前對(duì)核桃園進(jìn)行腐爛病危害程度的調(diào)查,根據(jù)腐爛病的發(fā)病情況,按健康(J)、輕度發(fā)病(Q)、中度發(fā)病(Z)、重度發(fā)病(B)植株根區(qū)土分為4組,每組各采集7棵樹(shù)的根區(qū)土樣。健康植株為無(wú)病疤或1~2年生小枝有少量病疤;輕度病害為2~4年生側(cè)枝有較輕的病疤;中度危害為主枝上有1個(gè)病疤,寬度占枝干周長(zhǎng)的 50%以上;重度病害為主干或主枝上有3個(gè)病疤,寬度均占枝干周長(zhǎng)的50% 以上[21]。每株樹(shù)以主干為中心50 cm左右半徑的范圍,分別從東、南、西、北4個(gè)方位取土,除去表層土后取0~30 cm的土樣,每樣品采用四分法混勻后裝入保鮮袋中帶回實(shí)驗(yàn)室,置于4℃冰箱保存,用于微生物分析。
1.2 方 法
1.2.1 土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量測(cè)定
可培養(yǎng)微生物數(shù)量采用稀釋平板涂抹培養(yǎng)計(jì)數(shù)法分析[22]。細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基,放線菌采用改良的高氏一號(hào)培養(yǎng)基(每300 mL培養(yǎng)基中加3%重鉻酸鉀1 mL),真菌采用PDA 培養(yǎng)基(每100 mL培養(yǎng)基加1%鏈霉素溶液0.3 mL)。
1.2.2 土壤微生物群落碳源代謝利用測(cè)定
采用Biolog ECO微平板法進(jìn)行[22]。稱取10 g鮮土加入100 mL無(wú)菌水中,搖勻,靜止片刻,然后將土壤樣品稀釋至10-3。取150 μL菌懸液接種到生態(tài)板的每一個(gè)孔中,25℃恒溫培養(yǎng),每隔24 h分別在590 nm波長(zhǎng)下讀數(shù),連續(xù)培養(yǎng)7 d。取120 h的平均光密度值進(jìn)行多樣性分析。
1.3 數(shù)據(jù)處理
微平板孔中溶液吸光值平均顏色變化率(average well color development, AWCD)用于描述土壤微生物代謝活性,計(jì)算公式如下:AWCD=∑(Ci﹣Ri)/n。式中:Ci為每個(gè)有培養(yǎng)基孔的吸光值;Ri為對(duì)照孔的吸光值;n為培養(yǎng)基孔數(shù),Biolog Eco板n值為31。采用Simpson、Shannon和McIntosh 3個(gè)指數(shù)來(lái)表征土壤微生物群落功能多樣性。其中Simpson指數(shù)(D)用于評(píng)估某些最常見(jiàn)種的優(yōu)勢(shì)度,Shannon指數(shù)(H)用于評(píng)估物種的豐富度,McIntosh指數(shù)(U)用于評(píng)估群落物種均勻度。
計(jì)算公式如下:
Shannon指數(shù)(H):H=﹣∑pi(pi).
式中:pi為第i孔的相對(duì)吸光值與所有整個(gè)微平板的相對(duì)吸光值總和的比值(Ci﹣Ri)/∑(Ci﹣Ri);ni為第i孔的相對(duì)吸光值(Ci﹣Ri);N為相對(duì)吸光值的總和。
數(shù)據(jù)采用DPS v9.50 版軟件進(jìn)行方差分析、平均吸光值(AWCD)、多樣性指數(shù)和主成分分析等工作。采用單因素方差分析(one-way ANOVA)、最小顯著差數(shù)法(LSD)進(jìn)行多重比較差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。
2.1不同發(fā)病程度核桃根際土壤可培養(yǎng)微生物特征
研究表明,不同發(fā)病程度核桃根際土壤三大可培養(yǎng)微生物類群數(shù)量差異顯著。與健康土壤對(duì)照相比,微生物總數(shù)輕、中度發(fā)病土壤分別升高了13.69%和10.88%,重度發(fā)病土壤則降低了33.06%。腐爛病病害由輕到重的根際土壤細(xì)菌數(shù)量呈先上升后下降趨勢(shì),輕度、中度腐爛病發(fā)病土壤數(shù)量分別是健康土壤的15.67%和12.28%,重度腐爛病發(fā)病土壤則下降了33.46%。放線菌和真菌數(shù)量健康土壤數(shù)量最多,不同發(fā)病土壤放線菌數(shù)量分別下降了47.33%、32.98%和19.27%,真菌數(shù)量分別下降了49.32%、22.68%和42.68%。圖1
Ⅰ: 細(xì)菌Bacteria (107CFU/g) ; Ⅱ: 放線菌Actinomycetes(105CFU/g) ; Ⅲ: 真菌Fungi (104CFU/g) J:健康土壤 health soil,Q:輕度發(fā)病土壤 mild disease soil、Z:中度發(fā)病土壤 moderate degree soil、B:重度發(fā)病土壤 severe disease soil
圖1 不同樣地核桃根際土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量
Fig.1 Culturable microbial quantities in rhizosphere soil of Walnut under different soil samples
2.2不同發(fā)病程度核桃根際土壤微生物功能多樣性
2.2.1平均顏色變化率
研究表明,Biolog ECO微平板培養(yǎng)過(guò)程中,各處理根區(qū)土壤微生物對(duì)碳源的利用程度隨著培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)而增加,表明微生物活性也增加。在培養(yǎng)初期的24 h內(nèi),AWCD值變化不明顯,從24~96 h,AWCD值呈快速增長(zhǎng),96 h后增長(zhǎng)速度減慢并延續(xù)到144 h,144 h后趨于穩(wěn)定。168 h的AWCD值總體表現(xiàn)為腐爛病發(fā)病較輕和健康的核桃根區(qū)土壤中,微生物活性高于中度和重度的發(fā)病土壤。從差異變化較顯著的144 h的AWCD值可以看出,不同發(fā)病程度的根區(qū)土壤間存在一定的差異。腐爛病發(fā)病較輕的核桃根區(qū)土壤中,微生物活性最高,健康土壤降低了12.03%,中、重度發(fā)病土壤分別降低了14.56%和18.42%。圖2
2.2.2 多樣性指數(shù)
根據(jù)AWCD值隨培養(yǎng)時(shí)間的變化曲線,選取144 h的AWCD值計(jì)算土壤微生物群落的Simpson、Shannon和McIntosh多樣性指數(shù)。結(jié)果表明,不同腐爛病發(fā)病程度的核桃根區(qū)土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)存在一定差異。從AWCD值可以看出,在健康和腐爛病發(fā)病程度較輕的土壤中均表現(xiàn)出較高的微生物活性,隨著發(fā)病程度的加重,微生物活性顯著降低。但不同發(fā)病程度的土壤微生物群落Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)和McIntosh均勻度指數(shù)(U)差異不顯著,輕度發(fā)病土壤的Shannon豐富度指數(shù)(H)高于健康和中、重度發(fā)病土壤。 表1
2.2.3 土壤微生物對(duì)不同種類碳源的利用
將Biolog-Eco板上的31種碳源分為6類,健康和發(fā)病的核桃樹(shù)根區(qū)土壤微生物對(duì)這6類碳源的利用情況,研究表明,輕度發(fā)病土壤中的微生物對(duì)這6類碳源的利用均較高,說(shuō)明微生物的活性最高;健康土壤中的微生物對(duì)糖類和氨基酸類碳源也有較好的利用;但中、重度發(fā)病土壤中微生物活性降低,對(duì)糖類、氨基酸類和酚酸類碳源的利用較低。核桃腐爛病的發(fā)病程度與土壤微生物對(duì)碳源的利用情況有一定的相關(guān)性,健康和輕度發(fā)病的土壤微生物對(duì)糖類和氨基酸類碳源有較強(qiáng)的利用能力,而腐爛病發(fā)病較重的土壤中利用糖類、氨基酸類和酚酸類碳源的微生物在減少。圖3
圖2 不同樣地土壤微生物群落平均顏色變化率
Fig.2 Average well color development (AWCD) of soil microbial communities under different soil samples
表1 不同樣地土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)
Table 1 Diversity indexes of soil microbial communities under different soil samples
Soil samplesAWCDSimpson(D)Shannon(H)McIntosh(U)J1.323±0.105b0.980±0.001a3.190±0.040b0.936±0.004aQ1.504±0.134a0.982±0.003a3.298±0.053a0.940±0.011aZ1.285±0.224b0.980±0.000a3.211±0.064ab0.939±0.005aB1.227±0.177b0.981±0.001a3.197±0.076b0.941±0.002a
圖3 不同樣地土壤微生物對(duì)六類碳源的利用強(qiáng)度
Fig.3 Utilization intensity of soil microbial community to six types of carbon source under different soil samples
2.2.4 主成分分析
為了進(jìn)一步了解腐爛病不同發(fā)病程度核桃根區(qū)土壤微生物群落功能的差異,對(duì)健康和發(fā)病的核桃樹(shù)根區(qū)土壤微生物31種碳源的利用情況進(jìn)行主成分分析。采用培養(yǎng)第144 h的數(shù)據(jù),共提取出3個(gè)主成分,主成分1 (PC1)、主成分2 (PC2)分別解釋變量方差的41.57%和32.78%。PC1和PC2的累積貢獻(xiàn)率為74.36%,是分異的主要來(lái)源,可以解釋分異的大部分信息。研究表明,不同腐爛病發(fā)病程度的土壤在PC軸上出現(xiàn)了明顯的分化,除健康土和中度發(fā)病土均分布在第四象限外,輕度和重度發(fā)病土分別分布在第一和第二象限。從整體上看,發(fā)病程度不同的核桃根區(qū)土壤微生物群落有一定的差異。圖4
圖4 不同樣地土壤微生物群落主成分分析
Fig.4 Principal component analysis of soil microbial communities under different soil samples
研究表明,對(duì)PC1和PC2具有較高利用率的碳源分析,對(duì)PC1和PC2的貢獻(xiàn)率在±0.6以上的碳源能反應(yīng)其中大部分信息。31種碳源中有6種碳源與PC1相關(guān)性較強(qiáng),它們分別屬于糖類的D、L-a-甘油,氨基酸類的L-精氨酸、L-天冬酰胺酸和L-絲氨酸,羧酸類的D-蘋果酸,酚酸類的4-羥基苯甲酸。說(shuō)明這6種碳源使不同樣地間土壤微生物群落代謝功能多樣性在PC1上差異顯著,決定PC1的分異。與PC2相關(guān)性強(qiáng)的碳源有5種,分別屬于糖類的D-纖維二糖、I-赤藻糖醇、a-D-乳糖和N-乙?;?D-葡萄胺,多聚物類的吐溫80。說(shuō)明這5種碳源使不同樣地間土壤微生物群落代謝功能多樣性在PC2上差異顯著,決定PC2的分異。表2
表2 PC1和PC2貢獻(xiàn)率較高的部分碳源(︱r︱﹥0.6)
Table 2 The carbon source with high contribution rate for PC1 and PC2(︱r︱﹥0.6)
碳源類型Type of carbon sourcePC1PC2糖類CarbohydratesD-纖維二糖0.1630.626I-赤藻糖醇-0.4540.618a-D-乳糖-0.1050.648N-乙?;?D-葡萄胺-0.2430.843D,L-a-甘油0.7080.28氨基酸類Amino ocidsL-精氨酸0.9380.061L-天冬酰胺酸0.790-0.201L-絲氨酸0.7580.241羧酸類 Carboxylic acidsD-蘋果酸0.7110.021酚酸類 Phenolic acids4-羥基苯甲酸0.7510.445多聚物 Polymers吐溫80-0.070.762
土壤生態(tài)系統(tǒng)對(duì)于植物的生長(zhǎng)和發(fā)育是至關(guān)重要的,土壤生物之間相互依賴、彼此制約,同時(shí)又與周圍環(huán)境因子相互作用、往復(fù)調(diào)控,才能維系土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和健康[23]。雖然核桃腐爛病病原菌主要危害核桃樹(shù)枝干,并不會(huì)直接污染土壤,但核桃根區(qū)土壤養(yǎng)分及微生物多樣性的變化是腐爛病發(fā)生的主要原因。由于核桃在生長(zhǎng)過(guò)程中需不斷從土壤中吸取養(yǎng)分,在管理粗放、土壤貧瘠、排水不良、肥水不足等的土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素相對(duì)缺乏和比例失調(diào),導(dǎo)致核桃根區(qū)土壤微生物多樣性降低及其群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,導(dǎo)致樹(shù)勢(shì)衰弱,腐爛病加重[24、25]。
土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)變化的敏感指標(biāo)之一,其活性和群落結(jié)構(gòu)變化能反映出土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健康狀況[26、27]。病原菌的入侵使得植物-土壤-微生物原有的健康生態(tài)遭到破壞,導(dǎo)致土壤微生物多樣性發(fā)生變化[28、29、30],土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化在一定程度上也影響病害的發(fā)生[31、32、33、34]。李雪萍等[35]的研究表明,根腐病的發(fā)生會(huì)使青稞根際土壤微生物組成發(fā)生改變,細(xì)菌和放線菌數(shù)量因根腐病的發(fā)生而減少,真菌的數(shù)量則增多。吳斌等[17]的研究也表明發(fā)病嚴(yán)重地塊的土壤微生物總量均高于輕病地塊,其中發(fā)病嚴(yán)重地塊的真菌數(shù)量和種類增加的最為顯著。
研究對(duì)三大可培養(yǎng)微生物類群的分析表明,由于細(xì)菌數(shù)量占微生物總數(shù)的大部分,故微生物總數(shù)呈輕度發(fā)病>中度發(fā)病>健康>重度發(fā)病土壤,而放線菌和真菌數(shù)量健康土壤高于發(fā)病土壤。微生物數(shù)量與土壤養(yǎng)分含量關(guān)系密切,馮雷等[21]的研究表明,核桃健康土壤養(yǎng)分含量大于腐爛病發(fā)病土壤,這可能導(dǎo)致重度發(fā)病土壤微生物數(shù)量少于健康土壤。同時(shí)輕度發(fā)病植株可能產(chǎn)生一些應(yīng)激反應(yīng)來(lái)抵御病害的入侵,進(jìn)而對(duì)土壤微生物也產(chǎn)生了一定的影響。發(fā)病較重的土壤中真菌數(shù)量并沒(méi)有顯著增多,由于腐爛病并非土傳病害,土壤細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量減少說(shuō)明土壤中養(yǎng)分含量減少,土壤質(zhì)量下降,樹(shù)勢(shì)可能變?nèi)?,進(jìn)而導(dǎo)致腐爛病發(fā)病嚴(yán)重。土壤環(huán)境的改變誘發(fā)各種微生物的生長(zhǎng)和繁殖,同時(shí)病原微生物的大量繁殖也可能侵入寄主后改變植株生理代謝,造成其分泌物中一些成分及含量發(fā)生變化,從而可能導(dǎo)致不同發(fā)病程度的土壤微生物數(shù)量及種類明顯不同[17]。核桃腐爛病的發(fā)生與土壤微生物的相關(guān)性研究,還應(yīng)結(jié)合高通量測(cè)序等分子生物學(xué)手段對(duì)土壤微生物的種類和數(shù)量進(jìn)行深入分析。
Biolog代謝活性研究表明,健康和腐爛病發(fā)病較輕的核桃根區(qū)土壤中,微生物活性高于中、重度發(fā)病土壤。這與管冠[15]、鄧曉[36、37]、付麗娜[38]等的研究結(jié)果一致。Biolog碳源利用分析表明,健康和輕度發(fā)病的土壤微生物對(duì)糖類和氨基酸類碳源有較強(qiáng)的利用能力,而腐爛病發(fā)病較重的土壤中利用糖類、氨基酸類和酚酸類碳源的微生物在減少。苗則彥等[39]分析認(rèn)為病原菌侵入寄主后改變植株生理代謝,導(dǎo)致其分泌物中一些成分及含量發(fā)生變化,在促進(jìn)一些微生物生長(zhǎng)的同時(shí)又抑制了另一類群微生物,從而可能導(dǎo)致健康黃瓜植株與罹病黃瓜植株根際微生物數(shù)量及種類明顯不同。因此,在腐爛病發(fā)病嚴(yán)重的土壤中增施有機(jī)肥、有益根際微生物或利用有效微生態(tài)調(diào)控措施,可增加核桃土壤養(yǎng)分和調(diào)節(jié)微生物多樣性,進(jìn)而增強(qiáng)樹(shù)勢(shì),促進(jìn)核桃樹(shù)的健康生長(zhǎng)。
4.1 不同腐爛病發(fā)病程度核桃根際土壤三大可培養(yǎng)微生物類群數(shù)量差異顯著。與健康土壤對(duì)照相比,不同發(fā)病程度土壤細(xì)菌數(shù)量呈先上升后下降趨勢(shì), 輕度、中度發(fā)病土壤分別提高了15.67%和12.28%,重度發(fā)病土壤則下降了33.46%。輕度、中度和重度發(fā)病土壤放線菌數(shù)量分別下降了47.33%、32.98%和19.27%,真菌數(shù)量分別下降了49.32%、22.68%和42.68%。
4.2 Biolog碳源利用表明,健康和腐爛病發(fā)病較輕的核桃樹(shù)土壤微生物多樣性存在顯著差異。腐爛病發(fā)病程度較重的土壤中微生物多樣性低于健康和腐爛病發(fā)病程度較輕的土壤。從144 h的AWCD值可以看出,腐爛病發(fā)病較輕的核桃根區(qū)土壤中,微生物活性最高,健康土壤降低了12.03%,中、重度發(fā)病土壤分別降低了14.56%和18.42%。輕度發(fā)病土壤的Shannon豐富度指數(shù)(H)高于健康和中、重度發(fā)病土壤。研究表明,核桃腐爛病的發(fā)病程度與土壤微生物對(duì)碳源的利用情況有一定的相關(guān)性,健康和輕度發(fā)病的土壤微生物對(duì)糖類和氨基酸類碳源有較強(qiáng)的利用能力,而腐爛病發(fā)病較重的土壤中利用糖類、氨基酸類和酚酸類碳源的微生物在減少。主成分分析表明,發(fā)病程度不同的核桃根區(qū)土壤微生物群落有一定的差異。31種碳源中,糖類和氨基酸類碳源決定著主成分的分異。