Cd脅迫對馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落組成及多樣性的影響

謝 朝，付天嶺，何騰兵,3，成劍波，符東順，羅 勝

(1.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省山地畜禽養(yǎng)殖污染控制與資源化技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025；3.貴州大學(xué) 新農(nóng)村發(fā)展研究院，貴州 貴陽 550025；4.貴州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

國土資源部與環(huán)境保護(hù)部2014年發(fā)布的《全國土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示，我國土壤總的點(diǎn)位超標(biāo)率為16.1%，耕地土壤重金屬點(diǎn)位超標(biāo)率為19.4%。其中，Cd污染點(diǎn)位超標(biāo)率達(dá)7.0%，位居無機(jī)污染物之首[1]。Cd元素是環(huán)境中移動性和生物毒性最強(qiáng)的重金屬之一，極易被植物根系吸收且部分被運(yùn)輸?shù)街参锏厣喜縖2-3]。由于土壤Cd污染對農(nóng)作物生長、產(chǎn)量以及食品質(zhì)量安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，農(nóng)田土壤環(huán)境Cd污染問題已成為土壤和環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

土壤微生物生物量在一定程度上可指示參與調(diào)控土壤能量和養(yǎng)分循環(huán)以及有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的微生物數(shù)量[4]。一般認(rèn)為，微生物生物量碳占土壤總有機(jī)碳的1%～3%，絕對數(shù)量雖然不大，卻在有機(jī)質(zhì)代謝、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化及污染物降解等過程中扮演重要角色，是土壤活性養(yǎng)分的儲備庫，是土壤肥力的重要參數(shù)，而且對外界環(huán)境變化反應(yīng)靈敏，是土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性變化的警示器[5]。許多研究表明，土壤微生物群落活性、組成、多樣性對調(diào)控土壤重金屬的生物地球化學(xué)過程及作物的生長發(fā)育具有重要作用[6-21]。土壤微生物生物量對重金屬污染極其敏感[22-24]。曾路生等[25]的研究表明，低濃度Cd污染脅迫下，水稻根際土壤微生物量碳和氮與Cd濃度呈正相關(guān)，而在較高濃度的Cd污染脅迫下，水稻根際土壤微生物量碳和氮與鎘濃度呈負(fù)相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，土壤細(xì)菌群落隨重金屬含量的增加而減少[26]。長期使用污水灌溉會對土壤造成重金屬污染，微生物生物量隨Cd、Pb、Zn含量的增加而下降[27]。由此可見，僅從微生物生物量變化角度不足以全面揭示微生物群落對重金屬污染脅迫的響應(yīng)，需進(jìn)一步結(jié)合微生物群落組成和結(jié)構(gòu)多樣性變化特征才能更全面認(rèn)識重金屬污染脅迫對微生物群落的影響。

隨著分子生物技術(shù)的發(fā)展，高通量測序技術(shù)在分析微生物的群落結(jié)構(gòu)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，可通過從環(huán)境樣本中直接獲取的總DNA進(jìn)行文庫構(gòu)建并測序[28]，能更加真實(shí)地揭示原位環(huán)境中微生物群落的復(fù)雜性、多樣性及物種構(gòu)成[29]。前人的研究表明，馬鈴薯土壤Cd污染點(diǎn)位超標(biāo)率較高，馬鈴薯組織中Cd含量不超標(biāo)，且后者主要是受作物品種的影響[30-31]。但這些研究忽略了馬鈴薯根際土壤微生物群落組成及多樣性對土壤-作物系統(tǒng)中重金屬遷移轉(zhuǎn)化的調(diào)控作用，且目前關(guān)于馬鈴薯根際土壤微生物群落組成及多樣性對重金屬脅迫響應(yīng)的研究鮮見報(bào)道。鑒于此，利用高通量測序技術(shù)探討Cd 脅迫對馬鈴薯根際土壤中細(xì)菌群落組成和多樣性的影響，旨在揭示Cd脅迫下馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的差異及根際細(xì)菌對Cd脅迫的響應(yīng)特征，為深入研究馬鈴薯根際土壤細(xì)菌與耐Cd性之間的關(guān)系提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試土壤采集于貴州省花溪區(qū)孟關(guān)鄉(xiāng)耕地表層土壤(-20 cm)，土壤類型為黃壤。盆栽試驗(yàn)前將供試土壤自然風(fēng)干，撿出雜物，過1 cm 篩后備用。土壤的基本理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì) 30.7 g/kg、全氮0.97 g/kg、全磷1.03 g/kg、全鉀 10.79 g/kg、鎘 1.25 mg/kg，pH值5.2。馬鈴薯品種為貴州主栽品種青署9號。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及指標(biāo)測定

1.2.1 土壤處理與盆栽試驗(yàn) 以CdCl2·H2O配制1 g/L的鎘溶液作為外源Cd脅迫的母液，向供試土壤中分別添加0、10、50、100 mg/kg的外源Cd溶液，每個(gè)處理3次重復(fù)，依次記為Cd0、Cd10、Cd50、Cd100。使用噴壺噴灑Cd溶液，將土壤與 Cd 溶液充分混勻后裝入直徑和高度分別為30、40 cm的塑料盆缽，每盆裝入混勻的土壤10 kg，澆水至田間持水量的60%，沉積 7 d后種植馬鈴薯。種薯選用25 g左右?guī)в?個(gè)薯眼，表面光滑、干凈清潔、健康的薯種。使用 0.5%的多菌靈水溶液對種薯消毒殺菌，并將其晾曬至切面完全干燥。種植前 20 d對馬鈴薯進(jìn)行催芽處理。每盆一次性施入復(fù)合肥(氮∶磷∶鉀為15∶15∶15) 10 g 作為基肥，在塊莖形成期追施 2 g 尿素。于2018年3月8日貴州大學(xué)盆栽實(shí)驗(yàn)場進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，溫度與當(dāng)?shù)赝饨鐪囟缺３忠恢拢囼?yàn)期間定時(shí)澆水(2 d澆灌1次)。

1.2.2 土壤樣品采集 馬鈴薯種植5個(gè)月后，采用抖落法采集馬鈴薯根際土壤樣品。具體采樣方法：將馬鈴薯植株連同周圍的土體取出，抖掉根系外圍土，取根系附近的表層土壤，將取到的土樣混合，作為根際土。共采集12份土壤樣品，將采集的樣品每份平均分成2份，1份鮮樣放在-4 ℃裝有干冰的保溫箱中送往上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司進(jìn)行土壤細(xì)菌測序，另1份剔除植物殘?bào)w和石塊后自然風(fēng)干，用于測定土壤基本性質(zhì)。

1.2.3 土壤理化性質(zhì)分析 土壤pH值采用水浸提—電位法(水∶土為2.5∶1)測定；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量—外加熱法測定；土壤重金屬Cd采用HF-HNO3-HClO4加熱消解，石墨爐原子吸收分光光度計(jì)(ICE-3000)測定；全氮采用H2SO4-HClO4消煮—蒸餾法測定；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測定；全磷采用H2SO4-HClO4消煮—鉬銻抗比色法測定；速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3溶液浸提—鉬銻抗比色法測定；全鉀采用氫氧化鈉熔融法測定；速效鉀采用1 μmol/L乙酸銨浸提—原子吸收分光光度法測定；土壤含水量采用烘干法測定。

1.2.4 土壤 DNA 提取及PCR反應(yīng) 采集的土壤樣品根據(jù)E.Z.N.A.?soil試劑盒(Omega Biotek，USA)說明書抽提總DNA。DNA濃度和純度利用NanoDrop 2000(Themo，USA)檢測，通過1%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA質(zhì)量；通過引物338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)對V3-V4可變區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增，擴(kuò)增程序：95 ℃預(yù)變性3 min；95 ℃變性30 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，27個(gè)循環(huán)；72 ℃延伸 10 min。

1.2.5 文庫構(gòu)建、測序 使用2%瓊脂糖凝膠回收PCR產(chǎn)物，通過AxyPrep DNA Gel Extraction Kit(Axygen Biosciences,USA)進(jìn)行純化，Tris-HCl洗脫，2%瓊脂糖電泳檢測。通過QuantiFluorTM-ST(Promega,USA)進(jìn)行檢測定量。根據(jù)Illumina MiSeq 平臺(Illumina,USA)標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程將純化后的擴(kuò)增片段構(gòu)建PE 2×300的文庫[32]。構(gòu)建文庫步驟：(1)連接“Y”字形接頭；(2)使用磁珠篩選去除接頭自連片段；(3)利用PCR擴(kuò)增進(jìn)行文庫模板的富集；(4)氫氧化鈉變性，產(chǎn)生單鏈DNA片段。利用Illumina公司的Miseq PE300平臺進(jìn)行測序(由上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

對測得的所有序列進(jìn)行 OTU(Operational taxonomic units，操作分類單元) 劃分，基于97%的相似性生成OTU表格。應(yīng)用 Mothur 軟件中的Summary.single 命令，計(jì)算Chao1、Shannon 及 Simpson 3 種常用生物多樣性指數(shù)。基于 Alpha 多樣性指數(shù)進(jìn)行稀釋性分析。使用 Qiime 平臺與 RDP classifier 貝葉斯算法對 97%相似水平的 OTU代表序列進(jìn)行分類學(xué)分析(置信度閾值為 0.7)，其中以 Unite 為數(shù)據(jù)庫，得到不同含量Cd處理樣本細(xì)菌在門和屬水平上的組成[33-34]。分類學(xué)數(shù)據(jù)庫中出現(xiàn)的一些分類學(xué)譜系中的中間等級沒有科學(xué)名稱，以Norank作為標(biāo)記。分類學(xué)比對后根據(jù)置信度閾值的篩選，會有某些分類譜系在某一分類級別分值較低，以Unclassified標(biāo)記[35]。使用相關(guān)性 Heatmap分析環(huán)境因子與所選物種之間的相關(guān)性。采用SPSS 17.0軟件分析Cd污染水平與細(xì)菌群落組成和多樣性間相關(guān)性[36]。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cd脅迫下馬鈴薯根際土壤樣品細(xì)菌的OTU聚類分析

由圖 1可知，4個(gè)處理(Cd0、Cd10、Cd50、Cd100) 土壤樣本中分別檢測到1 405、1 974、1 412、1 178個(gè)OTU，其中共有的 OTU 為929個(gè)，特有的 OTU 依次為51、486、43、27個(gè)，分別占土壤樣本Cd0、Cd10、Cd50、Cd100總OTU 的 3.63%、24.62%、3.05%、2.29%。不同處理土壤所含OTU數(shù)排序?yàn)镃d10>Cd50>Cd0>Cd100，即在Cd含量為10 mg/kg時(shí)OTU數(shù)最多，微生物類群最豐富。當(dāng)Cd含量為100 mg/kg時(shí)OTU數(shù)最少，微生物類群最少。

圖1 Cd脅迫下馬鈴薯根際土壤樣品細(xì)菌 OTU 數(shù)量韋恩圖Fig.1 Wayne map of bacterial OTU number in potato rhizosphere soil samples

2.2 Cd脅迫下馬鈴薯根際土壤細(xì)菌的多樣性分析

由Cd脅迫下馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落豐富度及多樣性指數(shù)(表1)可知，從4個(gè)不同處理(Cd0、Cd10、Cd50和Cd100)的土壤樣本分別獲取了63 224、61 113、47 293、42 929條優(yōu)質(zhì)序列，且各樣本覆蓋率均在99%以上，表明此次測序的結(jié)果真實(shí)地反映了各個(gè)處理土壤中微生物的情況。Alpha多樣性指數(shù)中，Cd10處理土壤細(xì)菌的Chao1指數(shù)最高，而Cd100處理土壤細(xì)菌的Chao1指數(shù)最低，說明Cd10處理土壤細(xì)菌群落的豐富度最高，Cd100處理土壤細(xì)菌群落的豐富度最低。各處理土壤中細(xì)菌的Shannon和Simpson指數(shù)大小分別依次表現(xiàn)為Cd10>Cd50>Cd0>Cd100和Cd100>Cd50>Cd0>Cd10。其中，Cd100處理的Simpson指數(shù)最高，Shannon指數(shù)最低，表明該處理的土壤細(xì)菌群落多樣性最低。隨著Cd含量的增加，土壤細(xì)菌群落多樣性逐漸降低，表明土壤細(xì)菌群落多樣性受Cd含量的影響。

表1 Cd脅迫下馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落的豐富度及多樣性指數(shù)Tab.1 Bacterial community richness and diversity index in potato rhizosphere soil under Cd stress

由圖2可知，4 個(gè)不同處理的土壤細(xì)菌稀釋性曲線均呈先上升隨后趨于平緩的趨勢，更多的數(shù)據(jù)量只會產(chǎn)生少量新的OTU，說明取樣基本合理，樣本能夠比較真實(shí)地反映不同處理土壤中細(xì)菌群落。結(jié)合覆蓋率和稀釋性曲線數(shù)據(jù)可知，測序結(jié)果包含了大多數(shù)細(xì)菌類群，可以反映不同處理土壤中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成。

圖2 Cd脅迫下馬鈴薯根際土壤細(xì)菌的稀釋性曲線Fig.2 Dilution curve of bacteria in potato rhizosphere soil under Cd stress

2.3 Cd脅迫下馬鈴薯根際土壤細(xì)菌的群落組成

由圖3可知，在門水平上，將樣本中相對豐度占比<0.01的樣品歸為一類(Others)后發(fā)現(xiàn),Cd脅迫下馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落主要屬于11門：變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、厚壁菌門(Firmicutes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、Saccharibacteria、酸桿菌門(Acidobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、浮霉菌門(Planctomycetes)、藍(lán)藻門(Cyanobacteria)和Unclassified_k_norank?？傮w而言，變形菌門豐度最高，占比為37.78%～48.28%，為優(yōu)勢菌門；其次為放線菌門，占比為10.14%～17.16%；已命名菌門中藍(lán)藻門豐度最低，占比為0.19%～2.07%。與對照土壤(Cd0)相比，放線菌門、綠彎菌門和藍(lán)藻門的豐度增加，表明放線菌門、綠彎菌門、藍(lán)藻門對重金屬Cd具有耐受性。

圖3 Cd脅迫下馬鈴薯根際土壤細(xì)菌的群落組成Fig.3 Bacterial community composition of potato rhizosphere soil under Cd stress

在屬水平上(細(xì)菌群落的相對豐度用對數(shù)表示)，對4個(gè)處理的土壤細(xì)菌豐度分布特征進(jìn)行聚類(圖4)，Cd100與Cd50處理土壤細(xì)菌類群相似度最高，其與Cd10 處理聚為一類；Cd0與上述3個(gè)處理聚成的一大類為同一水平。在屬水平上獲得了前50個(gè)優(yōu)勢菌屬，其中，豐度>1%的有水恒桿菌屬(Mizugakiibacter)、類芽孢桿菌屬(Paenibacillus)、Norank_p__Saccharibacteria、產(chǎn)黃桿菌屬(Rhodanobacter)等24個(gè)菌屬。其中，水恒桿菌屬占比為9.16%～20.44%，Norank_p__Saccharibacteria占比為5.36%～12.11%，產(chǎn)黃桿菌屬占比為3.67%～5.26%，顯著富集在各個(gè)處理中。此外，在Cd脅迫后，部分具有優(yōu)勢的菌屬消失，出現(xiàn)了新的菌屬。Norank_c__TK10和Norank_f__DA111僅出現(xiàn)在對照組中。另外一些菌屬僅在某一Cd處理中出現(xiàn)，如德沃西亞菌屬(Devosia)、Paenibacillus僅存在于Cd10處理中。以上結(jié)果表明，土壤受Cd脅迫后，其細(xì)菌群落發(fā)生了明顯變化。

與Cd0相比，隨著Cd含量增加，根微菌屬(Rhizomicrobium)、腐土桿菌屬(Humibacter)、產(chǎn)黃桿菌屬的豐度分別降低了83.51%、54.33%、56.59%，說明Cd污染脅迫對這些細(xì)菌類群的生長具有抑制作用。另外，隨著Cd含量增加，馬鈴薯根際土壤細(xì)菌菌屬中的苔蘚桿菌屬、Norank_o_Gaiellales、Flexivirga的豐度分別依次增加了37.32%、46.35%、66.67%，說明這3個(gè)菌屬對Cd具有耐受性。

圖4 Cd脅迫下土壤前20種優(yōu)勢菌屬細(xì)菌在屬水平上的群落結(jié)構(gòu)熱譜圖Fig.4 Thermogram of community structure of the top 20 dominant bacterial genera at genus level under Cd stress

2.4 Cd脅迫下馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化

以馬鈴薯根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)為研究對象，利用主成分分析(PCoA)研究了鎘脅迫下馬鈴薯根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的變化。如圖5所示，第1主坐標(biāo)軸的貢獻(xiàn)值為53.51%，第2主坐標(biāo)軸的貢獻(xiàn)率為14.44%。種類聚類分析表明，Cd100和 Cd50處理土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)最相似，但對照組(Cd0)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與其他3個(gè)處理相比差異較大，表明Cd 脅迫對馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有明顯影響。

圖5 Cd脅迫下土壤細(xì)菌群落PCoA分析Fig.5 PCoA analysis of soil bacterial community under Cd stress

2.5 馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落相對豐度與Cd脅迫的相關(guān)性

選擇馬鈴薯根際土壤細(xì)菌前50個(gè)優(yōu)勢菌屬的相對豐度與Cd含量進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見表2。絕大部分細(xì)菌屬與Cd含量間無顯著關(guān)系，僅有5種菌屬(苔蘚桿菌屬、Flexivirga、Jatrophihabitans、德沃西亞菌屬和Norank_f__Planctomycetaceae)與Cd含量具有顯著相關(guān)關(guān)系，其中，苔蘚桿菌屬和Flexivirga相對豐度與Cd含量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，Jatrophihabitans相對豐度與Cd含量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，表明該3個(gè)細(xì)菌屬對Cd脅迫具有耐受性。而德沃西亞菌屬和Norank_f__Planctomycetaceae

表2 Cd含量與馬鈴薯根際土壤優(yōu)勢菌屬間的相關(guān)性Tab.2 The correlation between Cd concentration and dominant bacteria in potato rhizosphere soil

注：*代表顯著相關(guān)(P<0.05)，**代表極顯著相關(guān)(P<0.01)，下同。
Note:*represents significant correlation (P<0.05),**represents extremely significant correlation (P<0.01),the same below.

與Cd含量間呈負(fù)顯著相關(guān)，表明這2個(gè)菌屬對Cd不具有耐受性。

利用相關(guān)性熱譜圖分析了細(xì)菌門相對豐度與土壤環(huán)境因子之間的相關(guān)性。熱譜圖(圖6)顯示，不同細(xì)菌門相對豐度與環(huán)境因子的相關(guān)性存在差異。其中，厚壁菌門的相對豐度與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)；擬桿菌門的相對豐度與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)；糖細(xì)菌門(Saccharibacteria)的相對豐度與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)；變形菌門(Proteobacteria)的相對豐度與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)，但與速效鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān)；棲熱菌門(Deinococcus-Thermus)的相對豐度與有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量均呈極顯著正相關(guān)；假單胞菌門(Gemmatimonadetes)的相對豐度與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)，但與速效鉀含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；TM6_Dependentiae的相對豐度與有機(jī)質(zhì)和全氮含量均呈顯著正相關(guān)；螺旋菌門(Spirochaetae)的相對豐度與全氮含量、含水率和堿解氮含量均呈顯著正相關(guān)；擬桿菌門(Bacteroidetes)、衣原體門(Chlamydiae)、Parcubacteria的相對豐度均與速效鉀含量呈顯著負(fù)相關(guān)。

AN：堿解氮；AK：速效鉀；TK全鉀；TP：全磷；AP：速效磷；M：含水率；TN：全氮；OM：有機(jī)質(zhì)AN：Available N；AK：Available K；TK：Total K；TP：Total P；AP：Available P；M:Moisture content;TN：Total N；OM：Organic matter圖6 細(xì)菌與土壤環(huán)境因子相關(guān)性熱譜圖Fig.6 Thermogram of correlation between bacteria and soil environmental factors

3 結(jié)論與討論

長期以來，重金屬污染對土壤生物化學(xué)及微生物學(xué)特性的影響，尤其是對土壤微生物群落組成及多樣性影響方面[37]一直備受關(guān)注。本研究表明，Cd脅迫對馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落多樣性具有重要影響，表現(xiàn)為在低Cd含量(10 mg/kg)脅迫下，馬鈴薯根際土壤中細(xì)菌群落的Simpson指數(shù)最低，Shannon指數(shù)最高，而高含量(100 mg/kg)Cd脅迫下，根際土壤中細(xì)菌群落的Simpson指數(shù)最高，Shannon指數(shù)最低，表明在低Cd含量脅迫下馬鈴薯根際土壤中細(xì)菌群落多樣性最高，而在高Cd含量脅迫下，根際土壤中細(xì)菌群落多樣性受到抑制，其原因可能是隨著土壤Cd含量增加，耐受性低的細(xì)菌數(shù)量會降低或者絕滅，而耐受性強(qiáng)的細(xì)菌數(shù)量呈升高或積累的態(tài)勢，進(jìn)而使土壤細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)及多樣性發(fā)生明顯改變。JOSE等[38]研究表明，重金屬濃度與土壤細(xì)菌的數(shù)量和群落多樣性密切相關(guān)，高濃度重金屬污染會顯著降低細(xì)菌群落多樣性，且土壤細(xì)菌的數(shù)量和群落多樣性隨著重金屬Cd含量增加均呈逐漸降低的變化規(guī)律。在本研究中，土壤細(xì)菌群落多樣性并未呈現(xiàn)隨著Cd含量增加而逐漸降低的趨勢，而是呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其原因可能是低含量Cd脅迫對馬鈴薯根際土壤中細(xì)菌群落豐度和多樣性具有刺激作用，高含量Cd較強(qiáng)的毒性作用則會抑制土壤中微生物的生長，限制了細(xì)菌群落對養(yǎng)分的利用率[39]，但高Cd含量脅迫下細(xì)菌抗逆性增強(qiáng)導(dǎo)致其活動強(qiáng)度增大，細(xì)菌群落為了維持正常的生命活動就需要消耗更多的能量維持生理功能，從而將用于生長繁殖的能量用于新陳代謝，使細(xì)菌群落的豐度和生物量發(fā)生改變，進(jìn)而降低細(xì)菌群落的豐度和多樣性。王繼玥等[40]的研究表明，重度Pb污染會顯著降低三葉草根際土壤細(xì)菌微生物量及其群落多樣性，而中度 Pb 污染卻增加了三葉草根際土壤細(xì)菌群落多樣性，這與本研究中Cd污染的規(guī)律一致。

土壤污染不僅明顯改變土壤微生物群落多樣性，也明顯地影響土壤微生物群落組成[41]。本研究結(jié)果表明，在Cd污染的馬鈴薯根際土壤中變形菌門、放線菌門、厚壁菌門、Saccharibacteria和酸桿菌門的相對豐度較高，是Cd污染土壤中的主要類群，這與前人的研究結(jié)果相似[42]。其中，變形菌門在受Cd污染的馬鈴薯根際土壤中的相對豐度最高，說明變形菌門對重金屬污染具有較強(qiáng)的耐受性，這與FRAZAR等[43]和GILLAN等[44]的研究結(jié)果相似。本研究中，熱譜圖顯示變形菌門相對豐度與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著正相關(guān)，說明在Cd污染土壤中變形菌門的抗性與有機(jī)質(zhì)的含量密切相關(guān)。在本研究中，受Cd污染脅迫的馬鈴薯根際土壤中放線菌門、綠彎菌門和藍(lán)藻門的相對豐度均高于對照土壤的相對豐度，說明這3個(gè)菌門對Cd具有較強(qiáng)的耐受性。其中，EI-ENANY等[45]的研究表明，藍(lán)藻門具有通過細(xì)胞壁吸附高濃度溶解態(tài)重金屬的能力，且其表面具有吸附重金屬的小球體和可以隔離重金屬蛋白質(zhì)的機(jī)制。放線菌門自身對Cd污染具有一定的耐性。TAJ等[46]的研究表明，在植物生長過程中，放線菌在對重金屬解毒和減輕生物及非生物脅迫方面具有重要作用，可憑其較強(qiáng)的抗性取代更為敏感的真菌作為土壤的主要分解者。前人研究表明，綠彎菌門中的許多物種是生長緩慢且功能多樣的兼性需氧異養(yǎng)生物，具有較高的代謝可塑性，是土壤中的耐重金屬微生物[47-49]。

在本研究中，隨著Cd含量的增加，馬鈴薯根際土壤中根微菌屬、腐土桿菌屬、產(chǎn)黃桿菌屬的相對豐度降低，說明高Cd含量脅迫會抑制這些敏感的細(xì)菌屬生長。另外，不同含量Cd脅迫下馬鈴薯根際土壤中一些細(xì)菌屬的相對豐度存在明顯差異，如10 mg/kg Cd脅迫下馬鈴薯根際土壤中的細(xì)菌屬如Norank_O_JG30-KF-CM45和Norank-f-Gemmatimonadaceae的相對豐度最高，均高于100 mg/kg脅迫土壤的相對豐度；而10 mg/kg Cd脅迫下馬鈴薯根際土壤中的細(xì)菌屬如水恒桿菌屬和產(chǎn)黃桿菌屬的相對豐度均低于對照土壤。上述結(jié)果表明，不同種類的細(xì)菌屬對Cd污染脅迫的敏感程度不同，一定程度的Cd污染脅迫會抑制一些種類細(xì)菌屬的生長，但同時(shí)在一定程度上促進(jìn)另一些種類細(xì)菌屬的生長。隨著Cd含量增加，屬于酸桿菌門的苔蘚桿菌屬、Norank_o_Gaiellales、Flexivirga的豐度增加，說明這3種菌群是對Cd具有耐性的優(yōu)勢菌群。其原因可能有兩方面，一是Cd脅迫會促使某些在未受Cd脅迫的土壤中不占優(yōu)勢的微生物種類成為優(yōu)勢種群，而這些微生物可能具有某些能夠耐受重金屬脅迫的特殊功能[50]；二是一定含量的Cd脅迫改變了原有細(xì)菌群落內(nèi)部種群之間的競爭關(guān)系，導(dǎo)致原始種群失去了優(yōu)勢，而耐Cd微生物的相對豐度增加，并且某些微生物在耐受Cd的過程中產(chǎn)生的物質(zhì)保護(hù)了其他種群的微生物，從而使Cd脅迫土壤的優(yōu)勢種群發(fā)生了明顯改變[51]。本研究表明，芽孢桿菌屬(Bacillus)在Cd脅迫的土壤中的相對豐度高于對照土壤，這是因?yàn)檠挎邨U菌屬具有抗逆性，是重金屬抗性菌株[52-53]。同時(shí)，本研究利用主成分分析表明，馬鈴薯根際土壤受Cd脅迫后，其群落結(jié)構(gòu)與對照具有明顯差異；由優(yōu)勢菌屬與Cd含量相關(guān)性分析可知，苔蘚桿菌屬、Flexivirga和Jatrophihabitans與Cd含量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明這3個(gè)細(xì)菌屬對Cd脅迫具有耐受性。細(xì)菌種群與理化因子相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，有機(jī)質(zhì)和全氮對細(xì)菌種群的影響最大。

綜上所述，不同含量Cd脅迫下，馬鈴薯根際土壤中細(xì)菌群落組成和多樣性具有顯著變化，而細(xì)菌群落組成和多樣性的變化對馬鈴薯抗Cd的響應(yīng)程度有待進(jìn)一步研究。