銀北鹽漬化土壤中6種耐鹽植物根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及其多樣性

代金霞,田平雅,張 瑩,蘇建宇

寧夏大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院, 銀川 750021

土壤鹽堿化問(wèn)題是目前全球最嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一。開(kāi)發(fā)和利用大面積的鹽堿土壤,不僅是增加農(nóng)業(yè)可利用土地資源的需要,也是改善生態(tài)環(huán)境、增加綠色植被、提高森林覆蓋率的需要[1]。寧夏銀北鹽堿區(qū)屬我國(guó)5大鹽堿土區(qū)的西北半干旱鹽堿土區(qū),蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于降水量,水資源缺乏。土壤鹽堿化已成為影響寧夏農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的限制性因素之一[2]。近年來(lái),以耐鹽植物種植為核心的鹽堿地改良利用技術(shù)逐漸被重視起來(lái)。但鹽堿地特殊的土壤性質(zhì)會(huì)導(dǎo)致植物出現(xiàn)成活率低、保存率低等現(xiàn)象,成為限制這一技術(shù)發(fā)展的瓶頸[3]。

根際微生物作為土壤-根系間養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)節(jié)器,是受植物影響最大的土壤微生物群體[4]。已有的資料表明,根際微生物在其生命活動(dòng)過(guò)程中通過(guò)產(chǎn)生大量的有機(jī)酸、不斷釋放土壤養(yǎng)分、有效改善鹽堿土壤的理化性質(zhì)和土壤結(jié)構(gòu)等提高土壤肥力,對(duì)通過(guò)植被恢復(fù)改良鹽堿地起到一定的作用[5- 7]。但目前鹽堿地生物改良措施的研究大多是耐鹽植物品種的選育和改良,針對(duì)鹽堿土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢(shì)種群、微生物-植物-鹽堿土壤之間的交互作用等研究尚不系統(tǒng)[8]。因此,開(kāi)展鹽堿土壤中不同植物根際微生物群落組成和多樣性研究,不僅有助于認(rèn)識(shí)微生物群落功能調(diào)節(jié)并發(fā)掘新的功能類群,而且對(duì)加強(qiáng)鹽生植物資源的開(kāi)發(fā)和利用以及改良鹽堿土壤都具有十分重要的意義。

本研究通過(guò)高通量測(cè)序和分離培養(yǎng)方法,對(duì)寧夏銀北地區(qū)鹽漬化土壤中的6種耐鹽植物根際細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)和遺傳多樣性進(jìn)行了分析,以期為加速植被恢復(fù)改良鹽堿地提供依據(jù),也為開(kāi)展鹽堿區(qū)土壤微生物資源的開(kāi)發(fā)和利用研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料

1.1.1研究區(qū)概況

寧夏銀北地區(qū)屬我國(guó)5大鹽堿土區(qū)的西北半干旱鹽堿土區(qū),該地區(qū)年均蒸發(fā)量2444 mm,年均降雨量只有292 mm,為中溫干旱氣候,常年干旱少雨且蒸發(fā)量大,富水性差,主要土壤為鹽堿土,植被類型以耐鹽堿植物為主[9]。

1.1.2土壤樣品采集

于2017年5—7月份在銀北西大灘鹽堿地(38°50′ 23.8″ N,106°23′ 54.1″ E)采集6種耐鹽堿植物根際土壤。其中枸杞Lyciumbarbarum、苜蓿Medicagosativa、柳枝稷Panicumvirgatum為該區(qū)鹽堿地改良中人工種植4年的植被,苦豆子Sophoraalopecuroides、檉柳Tamarixchinensis和芨芨草Achnatherumsplendens為該區(qū)主要分布的野生植被。采用五點(diǎn)取樣法,每個(gè)樣點(diǎn)各選取3棵植株,用鐵鏟去除植株根部周圍枯落物和土壤,在距地表20—30 cm深處,待根部露出后收集根上附著的土壤置于滅菌的50 mL離心管中,將不同樣點(diǎn)的土壤混勻,根據(jù)植被種類將土壤樣品編號(hào)后,置于冰盒立即帶回實(shí)驗(yàn)室,部分新鮮土樣用于DNA提取和菌株分離,剩余部分風(fēng)干過(guò)篩后根據(jù)《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》測(cè)定土壤理化性質(zhì)[10]。

1.2 方法

1.2.1土壤基因組提取和16S rRNA基因V3—V4區(qū)片段擴(kuò)增

按照美國(guó)Omega biotek公司土壤基因組提取試劑盒(D5625 Soil DNA Kit)操作說(shuō)明提取不同植物各3個(gè)重復(fù)根際土壤基因組。經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)后,測(cè)定DNA純度和濃度。用滅菌去離子水將適量的DNA樣品稀釋至1 ng/μL,以其為模板,擴(kuò)增16S rRNA基因的V3—V4區(qū),使用帶 Barcode 的特異引物對(duì)515F(5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA- 3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT- 3′)。擴(kuò)增結(jié)束后將同種植物根際土壤的3個(gè)PCR產(chǎn)物進(jìn)行等量混樣,充分混勻后用2%的瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行檢測(cè),使用QIAamp DNA Micro Kit(QIAGEN公司)回收目的條帶產(chǎn)物。

1.2.2文庫(kù)構(gòu)建、高通量測(cè)序和數(shù)據(jù)分析

PCR回收產(chǎn)物委托北京諾禾致源公司進(jìn)行文庫(kù)構(gòu)建和高通量測(cè)序,采用Illumina HiSeq測(cè)序平臺(tái)。通過(guò)對(duì)測(cè)序結(jié)果進(jìn)行拼接和質(zhì)控,得到有效序列,基于有效序列利用Uparse pipeline (v7.0.1001)對(duì)所有樣品的全部有效標(biāo)簽序列聚類,以97%的一致性將序列聚類成為OTUs(Operational Taxonomic Units),獲得OTUs聚類代表序列,利用RDP classifier(V2.2)[11]軟件進(jìn)行物種注釋、豐度和多樣性指數(shù)分析,同時(shí)在各個(gè)分類水平上對(duì)物種注釋結(jié)果進(jìn)行群落結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)分析。采用Spearman相關(guān)性分析(SPSS 19.0軟件)對(duì)根際細(xì)菌群落組成和環(huán)境因子的相關(guān)性進(jìn)行分析。

1.2.3根際可培養(yǎng)細(xì)菌的生物學(xué)活性和鹽堿耐受性測(cè)定

用無(wú)菌稱量紙分別稱取上述6種根際土壤樣品10 g于200 mL的LB培養(yǎng)液中,28℃條件下150 r/min培養(yǎng)30 min,取1 mL土壤懸液梯度稀釋至10-3后吸取200 μL涂布于LB平板上,28℃恒溫箱中培養(yǎng)48 h,挑取單菌落劃線5次純化,鏡檢后將純化菌株接種于LB培養(yǎng)液中28℃培養(yǎng)48 h,取50 μL菌液點(diǎn)接于含有(Ca3(PO4)2)的PKO檢測(cè)平板上,28℃培養(yǎng)7—10 d,根據(jù)菌落周圍產(chǎn)生的透明溶磷圈的大小檢測(cè)菌株的解磷能力[12]。將菌株分別接種到阿須貝無(wú)氮培養(yǎng)基和以ACC為唯一氮源的ADF培養(yǎng)基上,連續(xù)轉(zhuǎn)接5次都能正常生長(zhǎng)的菌株視為具備固氮活性和產(chǎn)ACC脫氨酶活性[13- 14]。

在LB培養(yǎng)基中加入NaCl使其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%—15%,以含1% NaCl的LB平板作為對(duì)照,將菌懸液點(diǎn)接于平板用于檢測(cè)菌株的耐鹽性；用l mol/L的NaOH將高壓滅菌的LB培養(yǎng)基調(diào)節(jié)pH值為9.0、10.0、11.0、12.0共4個(gè)梯度后倒平板,以pH 7.0的LB平板作為對(duì)照檢測(cè)菌株的耐堿性。每株菌設(shè)置3個(gè)重復(fù),置恒溫培養(yǎng)箱中28℃培養(yǎng)2—3 d,觀察平板上菌的生長(zhǎng)情況。

1.2.4根際可培養(yǎng)細(xì)菌的多樣性及其系統(tǒng)發(fā)育分析

觀察菌落和菌體形態(tài),結(jié)合菌株的生物學(xué)特性,選取代表菌株提取其基因組DNA,采用通用引物27F(5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG- 3′)/1492R(5′-TACGGYTACCTTGTTACGACTT- 3′)進(jìn)行16S rRNA基因的擴(kuò)增和序列測(cè)定。序列在GenBank中進(jìn)行BLAST同源性比較(http://www.ncbi.nlm.nib.gov/),用Clustal X進(jìn)行多重比對(duì),運(yùn)用MEGA7.0[15]軟件,采用Neighbor-Joining 法構(gòu)建系統(tǒng)樹(shù),對(duì)菌株進(jìn)行分子鑒定和系統(tǒng)發(fā)育分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同植物根際土壤理化性質(zhì)

研究區(qū)6種耐鹽植物根際土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1。土壤pH在8.16—9.25之間,呈堿性,有機(jī)質(zhì)含量較低,總氮磷鉀的含量在不同植物根際變化幅度不大。

2.2 根際土壤樣品的OTU聚類和Alpha 多樣性分析

由 MiSeq測(cè)序所得樣品數(shù)據(jù)經(jīng)質(zhì)控后,各分類水平上分別獲得較多的有效序列(圖1),在不同土壤樣品中有效序列數(shù)目為枸杞>苦豆子>苜蓿>芨芨草>柳枝稷>檉柳,即枸杞根際土壤獲得的有效序列最多,檉柳根際最少。序列長(zhǎng)度均大于400 bp,滿足分析要求。對(duì)完成質(zhì)控并去除嵌合體之后的有效序列以97%的一致性聚類成為OTUs,統(tǒng)計(jì)得到各個(gè)樣品在不同 OTU 中的豐度信息。結(jié)果表明,6種土壤樣品分別產(chǎn)生1571—2100個(gè) OTU(表2),文庫(kù)覆蓋度在0.985—0.991之間,說(shuō)明測(cè)序深度已經(jīng)基本覆蓋到樣品中所有的物種,樣本所建立的細(xì)菌文庫(kù)能夠比較有效地反映其多樣性。不同根際土壤中物種豐富度指數(shù)(Chao 1指數(shù)和ACE指數(shù))和多樣性指數(shù)(Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù))存在明顯差異,根際細(xì)菌物種多樣性在各樣品間表現(xiàn)為芨芨草>檉柳>苜蓿>柳枝稷>枸杞>苦豆子,芨芨草和檉柳根際細(xì)菌多樣性較高,苦豆子最低；而豐富度則體現(xiàn)為苜蓿>芨芨草>苦豆子>柳枝稷>檉柳>枸杞,說(shuō)明苜蓿和芨芨草根際土壤的細(xì)菌豐富度要高于其他植物根際土壤。

表1 不同耐鹽植物根際土壤理化性質(zhì)

ACE：基于豐度覆蓋的估算,Abundance Coverage-based Estimator

2.3 6種植物根際細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)組成分析

測(cè)序結(jié)果通過(guò)物種注釋,6種根際土壤共獲得31門67綱253科400屬土壤細(xì)菌,選取每個(gè)樣品在門水平豐度前十的物種,以Weighted Unifrac距離矩陣構(gòu)建樣品的UPGMA(unweighted pair-group method with arithmetic means,非加權(quán)組平均法)聚類樹(shù),并將聚類結(jié)果與各樣品的物種相對(duì)豐度整合來(lái)研究不同樣品間的相似性(圖2)。由圖2可以看出,厚壁菌門(Firmicutes,26.50%—62.33%)、變形菌門(Proteobacteria,16.54%—29.06%)和放線菌門(Actinobacteria,7.74%—21.15%)是根際土壤的優(yōu)勢(shì)菌群,相對(duì)豐度最高,其次是擬桿菌門(Bacteroidetes,4.84%—12.26%)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes,2.68%—6.69%)和酸桿菌(Acidobacteria,1.46%—3.97%),而疣微菌門(Verrucomicrobia)、綠彎菌門(Chloroflexi)、熱微菌門(Thermomicrobia)和 單糖菌門(Saccharibacteria) 都以較低豐度分布在土壤中。在不同土壤樣品中厚壁菌門相對(duì)豐度依次為苦豆子>枸杞>柳枝稷>苜蓿>芨芨草>檉柳,在苦豆子根際土壤中高達(dá)62.33%,為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)類群。變形菌門相對(duì)豐度依次為檉柳>芨芨草>柳枝稷>枸杞>苜蓿>苦豆子,在檉柳根際變形菌門豐度(29.06%)略高于厚壁菌門(26.50%),其余5種植物根際均以厚壁菌門占優(yōu)勢(shì)。放線菌門豐度在各土壤中表現(xiàn)為芨芨草>檉柳>苜蓿>枸杞>柳枝稷>苦豆子。通過(guò)聚類圖可以看出,在門水平上6種根際土壤細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)組成表現(xiàn)為芨芨草和檉柳相似,柳枝稷、苜蓿和枸杞相似,苦豆子則與另外5種差別最大。

圖2 基于非加權(quán)組平均法的門水平聚類圖Fig.2 The clustering map at phylum level based on unweighted pair-group method

選取每個(gè)樣品在綱和屬水平上最大豐度前十的物種,生成物種相對(duì)豐度柱形圖(圖3、圖4)。6種根際土壤中都以芽孢桿菌綱(Bacilli)占優(yōu)勢(shì),相對(duì)豐度為17.67%—57.71%,在各土壤中依次表現(xiàn)為苦豆子>枸杞>柳枝稷>苜蓿>檉柳>芨芨草,是苦豆子根際的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌綱。其次為α-變形菌綱(Alphaproteobacteria,6.39%—15.37%),在枸杞根際豐度最高,苦豆子根際最低,其豐度依次為枸杞>檉柳>芨芨草>柳枝稷>苜蓿>苦豆子;γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria,4.17%—9.69%)、梭菌綱(Clostridia,0.89%—8.72%)、酸微菌綱(Acidimicrobiia,3.54%—7.86%)和放線菌綱(Actinobacteria,1.95%—7.82%)等在不同樣品中豐度略有差異。在屬水平上以芽孢桿菌屬(Bacillus)為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)屬(15.57%—53.85%),在6種根際土壤中其豐度依次為苦豆子>枸杞>柳枝稷>苜蓿>檉柳>芨芨草；其余各屬豐度均遠(yuǎn)低于芽孢桿菌,在不同土壤中占比不同,如鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas,1.32%—3.72%)在柳枝稷根際豐度略高,不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter,0.14%—3.21%)在芨芨草、苦豆子和苜蓿根際豐度相當(dāng),節(jié)桿菌屬(Arthrobacter,0.24%—2.51%)、乳酸乳球菌屬(Lactococcus,0.71%—2.43%)、腈基降解菌屬(Nitriliruptor,0.21%—2.35%)等都以較低豐度分布于不同土壤樣品中,說(shuō)明植物種類會(huì)影響其根際微生物的群落組成和多樣性。

圖3 綱水平上的物種相對(duì)豐度圖Fig.3 Relative abundance of species at class level

圖4 屬水平上的物種相對(duì)豐度圖Fig.4 Rrelative abundance of species at genus level

2.4 根際細(xì)菌群落組成與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

用Spearman秩相關(guān)來(lái)研究環(huán)境因子與根際優(yōu)勢(shì)菌群豐度之間的相互變化關(guān)系,得到兩兩之間的相關(guān)性熱圖(圖5)。從圖中可以看出,在相對(duì)豐度前十的優(yōu)勢(shì)類群中,厚壁菌門與土壤pH、總氮(TN)和總磷(TP)呈現(xiàn)正相關(guān),和電導(dǎo)率、速效氮呈負(fù)相關(guān)；變形菌門、放線菌門和擬桿菌門則與土壤pH、有機(jī)質(zhì)、總氮磷鉀都呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),與電導(dǎo)率、速效氮呈正相關(guān),但相關(guān)性都不顯著；僅酸桿菌門與土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)顯著正相關(guān),熱微菌門與速效氮極顯著正相關(guān),與總鉀含量顯著負(fù)相關(guān)； 單糖菌門(Saccharibacteria)與速效磷顯著負(fù)相關(guān)；在相對(duì)豐度<0.1的菌群中,綠菌門(Chlorobi)與土壤有機(jī)質(zhì)和總氮含量極顯著正相關(guān),硝化螺旋菌門(Nitrospirae)與總鉀含量極顯著正相關(guān),與速效氮顯著負(fù)相關(guān)；裝甲菌門(Armatimonadetes)與總氮和總鉀含量顯著正相關(guān),與電導(dǎo)率(EC)顯著負(fù)相關(guān)。多數(shù)菌群組成與土壤理化因子之間相關(guān)性不顯著。

圖5 細(xì)菌群落組成與土壤理化因子的spearman 相關(guān)性分析Fig.5 Spearman correlation analysis among soil physico-chemistry characteristics and rhizobacteria communityEC：電導(dǎo)率,electric conductivity；pH：酸堿度,potential hydrogen；SOM：土壤有機(jī)質(zhì),soil organic matter；TN：總氮,total nitrogen；TP：總磷,total phosphorus；TK：總鉀,total potassium；AN：速效氮,availliable nitrogen； AP：速效磷,availliable phosphorus；AK：速效鉀,availliable potassium

2.5 可培養(yǎng)根際細(xì)菌的生物學(xué)特性和系統(tǒng)發(fā)育分析

從6種根際土壤中共分離出細(xì)菌110株,其中自苜蓿和檉柳根際分離菌株數(shù)較多,分別為30株和26株,分離自芨芨草根際的細(xì)菌數(shù)量最少,僅有10株(表3)。許多菌株具有一種以上生物學(xué)活性,其中23株菌在含有(Ca3(PO4)2)的平板上能夠形成明顯的解磷圈,具有溶解無(wú)機(jī)磷的能力；在阿須貝和ADF培養(yǎng)基上轉(zhuǎn)接5次仍能正常生長(zhǎng)的菌株分別有37和46株。多數(shù)菌株具備較強(qiáng)的耐鹽堿性,所有菌株都能在含6% NaCl的培養(yǎng)基中生長(zhǎng),70株菌可以耐受10% 的NaCl,其中20株在含15% NaCl的培養(yǎng)基中仍能生長(zhǎng)。所有菌株在pH 9.0的條件下都能正常生長(zhǎng),74個(gè)菌株在pH 12.0的條件下仍然長(zhǎng)勢(shì)良好,其中分離自檉柳、芨芨草和柳枝稷根際土壤的菌株鹽堿耐受性普遍較強(qiáng)。

表3 6種耐鹽植物根際土壤中活性菌株數(shù)量

ACC：1-氨基環(huán)丙烷- 1-羧酸,1-aminocyclopropane- 1-carboxylate

圖6 基于 16S rRNA 基因序列構(gòu)建的部分根際細(xì)菌的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Fig.6 Phylogenetic tree of partial rhizobacteria isolates based on the 16S rRNA gene sequences

通過(guò)菌落和菌體形態(tài)的初步歸類,結(jié)合菌株的生物學(xué)活性,選取其中50個(gè)具有較強(qiáng)鹽堿耐受性(耐受10% 的NaCl或pH 12.0),或具備解磷、固氮或產(chǎn)ACC脫氨酶能力的代表菌株進(jìn)行16S rRNA基因序列分析。結(jié)果表明,這些菌株隸屬于5個(gè)屬,在屬水平上多樣性單一,芽孢桿菌屬和假單胞菌屬(Pseudomonas)是6種根際土壤的共有屬,其中31個(gè)菌株與芽孢桿菌屬細(xì)菌有99%—100%的序列同源性。選取部分菌株序列構(gòu)建的系統(tǒng)樹(shù)如圖6,其中代表菌株LZJ12、JJC11與B.subtilissubsp.inaquosorum的序列同源性為99%,CL11、LZJ13與B.atrophaeus、LZJ4與B.sonorensis分別有100% 的序列同源性,這5株菌都可以耐受15% 的NaCl,也可在pH 12. 0的條件下生長(zhǎng),同時(shí)具備2種以上活性。KDZ12和KDZ4則與B.cereus和B.thuringiensis有99%的相似性,表明芽孢桿菌在種水平上的多樣性較為豐富。有12株菌隸屬于假單胞菌屬,其中分離自枸杞和苦豆子根際的各4株,苜蓿根際2株,檉柳和柳枝稷根際各1株,分別與P.fluorescens、P.brassicacearum和P.corrugata有99%—100%的序列同源性；4株隸屬于鞘氨醇桿菌屬(Sphingobacterium),分別與S.faecium和S.kitahiroshimense有98%的序列同源性,這些菌株可耐受pH 12. 0的條件,但NaCl耐受性相對(duì)較弱,不能在高于8% NaCl 的鹽濃度中生長(zhǎng)；分離自苜蓿根際的菌株MX7與其他菌株在形態(tài)上完全不同,經(jīng)16S rRNA序列鑒定隸屬于節(jié)桿菌屬Arthrobacter,與該屬菌株A.humicola有100%的序列同源性；MX11和MX15同時(shí)具備固氮和解磷能力,與中華根瘤菌Sinorhizobiummeliloti有99%的序列同源性。與其他5種根際土壤相比,苜蓿根際可培養(yǎng)細(xì)菌的多樣性較豐富,包括了鑒定出的所有菌屬。將所測(cè)菌株的16S rDNA序列提交至Genbank,獲得序列登陸號(hào)為MG735362-MG735411。

3 討論

根際微生物是土壤-根系間養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)節(jié)器,也是受植物影響最大的土壤微生物群體[4]。作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中最為活躍的構(gòu)成因子,根際細(xì)菌參與了土壤中各種生物學(xué)和生物化學(xué)過(guò)程,對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育和環(huán)境適應(yīng)性產(chǎn)生重要的影響[16- 18]。

銀北鹽漬化土壤中6種耐鹽植物根際細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)分析表明,不同植物根際細(xì)菌群落在各水平上組成相似,物種多樣性和相對(duì)豐度都因植物種類而不同?？傮w上看,根際細(xì)菌的多樣性呈現(xiàn)為芨芨草>檉柳>苜蓿>柳枝稷>枸杞>苦豆子,而豐富度則呈現(xiàn)為苜蓿>芨芨草>苦豆子>柳枝稷>檉柳>枸杞。微生物的群落結(jié)構(gòu)存在生境異質(zhì)性,生態(tài)環(huán)境的不同造成微生物群落結(jié)構(gòu)的組成和優(yōu)勢(shì)類群的相對(duì)豐度不同,而生態(tài)環(huán)境相似的地區(qū)土壤微生物結(jié)構(gòu)較為相似[19]。本研究中6種耐鹽植物根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)整體表現(xiàn)為野生的芨芨草和檉柳相似,而人工種植的柳枝稷、苜蓿和枸杞更為相似,苦豆子則明顯區(qū)別于其他根際。這一結(jié)果的產(chǎn)生主要是由于3種人工種植的植物一直有著相同的田間管理措施,在一定空間尺度下具有相似的環(huán)境條件,明顯不同于自然生長(zhǎng)在鹽堿荒地中的芨芨草和檉柳,而苦豆子主要分布在研究區(qū)土壤含水量較高的溝旁和田邊地頭低濕處,土壤因子可能對(duì)其根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的影響。

植被類型和土壤性質(zhì)是影響植物根際細(xì)菌結(jié)構(gòu)組成和多樣性的重要因素之一[20]。杜瀅鑫等[8]對(duì)大慶鹽堿地九種植物根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的研究表明,酸桿菌門 、變形菌門是根際土壤優(yōu)勢(shì)菌群；李靖宇等[21]研究了沙坡頭地區(qū)不同植物群落的土壤微生物多樣性、劉洋等[22]比較了黃土高原4種喬木林土壤細(xì)菌的群落組成,結(jié)果都顯示變形菌門、放線菌門和酸桿菌門等豐度較高,為土壤優(yōu)勢(shì)類群；而在銀北鹽漬化土壤中,厚壁菌門為絕對(duì)優(yōu)勢(shì)菌群,其相對(duì)豐度遠(yuǎn)高于其他研究,且酸桿菌門的豐度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于變形菌門和放線菌門。微生物群落組成與環(huán)境因子的相關(guān)性分析表明,特定的菌群與特定的土壤因子相關(guān),如絕對(duì)優(yōu)勢(shì)類群厚壁菌門與土壤pH值、總氮和總磷正相關(guān),次優(yōu)勢(shì)類群變形菌門、放線菌門和擬桿菌門則與電導(dǎo)率、速效氮呈正相關(guān),與土壤pH和有機(jī)質(zhì)等呈現(xiàn)負(fù)相關(guān),這與Nacke等的研究一致[23],表明銀北鹽漬化土壤中優(yōu)勢(shì)菌群在很大程度上受土壤pH值的影響。植物與土壤微生物之間通過(guò)凋落物和根系分泌物建立起密切的聯(lián)系。因此植物種類不同,其凋落物的數(shù)量和根系分泌物的種類會(huì)對(duì)植物根際土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生影響,而特定的土壤性質(zhì)又會(huì)引起功能微生物類群在根際的富集。很多厚壁菌可以產(chǎn)生芽孢,能夠抵抗脫水,適應(yīng)干旱和極端環(huán)境的能力極強(qiáng)；變形菌在植物根際能夠快速地增長(zhǎng)；放線菌是降解木質(zhì)素與纖維素的主要功能菌群。這些富集于植物根際的功能微生物可以直接表征土壤營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)化及微生物的環(huán)境適應(yīng)性[24]。銀北地區(qū)土壤鹽堿化程度較高,常年干旱少雨,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)匱乏,其土壤微生物群落可能是在長(zhǎng)期的逆境脅迫下,經(jīng)過(guò)自然選擇而適應(yīng)生態(tài)環(huán)境的表現(xiàn)。

土壤中的絕大多數(shù)微生物由于受生長(zhǎng)條件和培養(yǎng)基選擇性的限制是無(wú)法培養(yǎng)的,因此僅用傳統(tǒng)的分離方法不能真實(shí)和準(zhǔn)確的反應(yīng)出土壤中微生物的結(jié)構(gòu)組成和多樣性[25]。高通量測(cè)序技術(shù)的成熟,使我們能夠通過(guò)對(duì)環(huán)境微生物直接進(jìn)行深度測(cè)序,從而較為全面和準(zhǔn)確地在微生物群落水平分析物種的遺傳多樣性和相對(duì)豐度,并能較為客觀地反映其中低豐度的重要功能微生物[26]。在6種耐鹽植物根際細(xì)菌的高通量測(cè)序結(jié)果中,很多相對(duì)豐度較高的類群如鞘氨醇單胞菌屬、不動(dòng)桿菌屬、乳酸乳球菌屬等細(xì)菌,可能由于培養(yǎng)條件的限制并未通過(guò)培養(yǎng)方法獲得。而一些相對(duì)豐度較低的菌屬,如假單胞菌、鞘氨醇桿菌、節(jié)桿菌和中華根瘤菌能夠分離培養(yǎng)獲得,而且其中多數(shù)菌株具備較強(qiáng)的鹽堿耐受性,同時(shí)還具有解磷、固氮或產(chǎn)ACC脫氨酶等一種或多種生物活性。解磷菌通過(guò)溶解土壤中難溶性的磷來(lái)促進(jìn)植物對(duì)磷的吸收利用,固氮菌能夠?qū)⒖諝庵械牡毓潭榛蠎B(tài)氮供植物利用,產(chǎn)ACC脫氨酶細(xì)菌通過(guò)抑制植物體內(nèi)乙烯的積累而減輕逆境下乙烯對(duì)植物的傷害,同時(shí)提高植物抗鹽堿和干旱等逆境脅迫。菌株分離結(jié)果顯示芽孢桿菌屬是分離頻率最高的類群,許多芽孢桿菌不僅具有多種生物學(xué)功能,還可以有效抵御外界的有害因子,具有極強(qiáng)的抗逆性強(qiáng)；鞘氨醇桿菌有著極強(qiáng)的生命力和耐貧營(yíng)養(yǎng)能力；假單胞菌屬、節(jié)桿菌等也是土壤中常見(jiàn)的根際促生菌,許多菌株被報(bào)道可以分泌多種抗生素或生長(zhǎng)激素,能有效抑制病原菌、顯著提高植物的抗病性和促進(jìn)植物的生長(zhǎng),是優(yōu)良的根際促生菌類群[27- 28]。在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)匱乏的銀北鹽堿地中,這些定殖在根際土壤中的功能細(xì)菌可能通過(guò)代謝作用適應(yīng)其所處的環(huán)境而得以存活并發(fā)揮著一定的作用。因此建議在今后開(kāi)展鹽堿地微生物群落多樣性研究中,有必要將傳統(tǒng)的分離方法和新一代測(cè)序技術(shù)結(jié)合起來(lái),這樣既能真實(shí)和準(zhǔn)確地反映出土壤中微生物的結(jié)構(gòu)組成和多樣性,也能分離獲得促生耐鹽堿的生態(tài)功能菌株,為豐富鹽堿區(qū)微生物資源、有效利用植物根際促生菌改良鹽堿土奠定基礎(chǔ)。