四種香草蘭根際土壤微生物群落功能多樣性解析

尚方劍 王潔 邢詒彰 王輝 莊輝發(fā) 趙青云

(1 海南大學(xué)園藝學(xué)院 海南?？?570228;2 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院香料飲料研究所 海南萬(wàn)寧 571533;3 海南省熱帶香辛飲料遺傳與改良品質(zhì)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 海南萬(wàn)寧 571533)

香草蘭又名香莢蘭，享有“食品香料之王”譽(yù)稱，其豆莢經(jīng)發(fā)酵生香加工后可產(chǎn)生200多種香氣成分，被廣泛應(yīng)用于制作各種高檔食品和化妝品，附加值高，用途廣泛［1］。墨西哥香草蘭（Vanilla planifoliaAndrews）是主栽種，占世界香草蘭總種植面積的90%以上，品質(zhì)佳，但抗病能力弱，易感染土傳病害；大花香草蘭（Vanilla pomponaSchiede）是香草蘭的3 大栽培種之一，品質(zhì)僅次于墨西哥香草蘭；大香草蘭（Vanilla siamensisRolfe ex Downie）和帝皇香草蘭（Vanilla imperialisKraenzl）是栽培香草蘭野生近緣種，植株生長(zhǎng)旺盛，莖蔓粗壯，具有耐寒、抗病害等優(yōu)良性狀，是開(kāi)展香草蘭目標(biāo)性狀育種的重要資源［2］。

土壤微生物是土壤生態(tài)環(huán)境的重要組成部分［3］，參與多種生物化學(xué)反應(yīng)，是土壤有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化的執(zhí)行者，為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)中植物健康生長(zhǎng)有直接或間接的影響［4］。土壤微生物多樣性會(huì)隨著環(huán)境條件的變化而發(fā)生改變，是生態(tài)環(huán)境健康穩(wěn)定的基礎(chǔ)［5］。土壤微生物群落功能多樣性是反映土壤微生物群落特征的重要指標(biāo)之一［6］。植物種類、品種是影響根際微生物組成和功能作用的關(guān)鍵因素［3］。同一作物不同品種間植株根系招募的微生物類群有差異，微生物群落結(jié)構(gòu)不同［7］。Yao 等［8］研究表明，不同黃瓜品種根際土壤細(xì)菌結(jié)構(gòu)和組成存在明顯差異。Mendes 等［7］研究指出，不同大豆品種根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)不同，抗病品種根際可富集類芽孢桿菌關(guān)鍵菌群。然而，不同種香草蘭根際土壤微生物群落是否存在差異，其根際土壤微生物群落功能多樣性有何不同，目前國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)研究報(bào)道。

本研究以主栽種及野生近緣種香草蘭種植園土壤為研究對(duì)象，通過(guò)Biolog-ECO 微平板法［9-10］研究其根際土壤微生物對(duì)31 種碳源的利用情況，明確不同種香草蘭根際土壤微生物群落功能多樣性差異，以期為調(diào)控主栽種墨西哥香草蘭土壤微生物群落，從根際微生態(tài)角度改善土壤微生物功能，從而提升其抗逆能力提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

選取2～3 年園齡的墨西哥香草蘭（V. planifolia）、大花香草蘭（V. pompona）、帝皇香草蘭（V. imperialis）和大香草蘭（V. siamensis）種植園，分別隨機(jī)采取3 株，采用抖土法收集根際土壤［11-12］，將樣品裝入封口袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室。部分土壤樣品自然風(fēng)干，通過(guò)1 mm 篩孔，用于測(cè)定土壤pH、堿解氮、速效磷、速效鉀；通過(guò)0.15 mm 篩孔，用于測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、全氮。部分土壤樣品分置于4℃冰箱保存，用于測(cè)定土壤微生物群落功能多樣性。

1.2 方法

1.2.1 指標(biāo)測(cè)定

稱取新鮮土，采用烘干稱重法測(cè)定土壤含水量。稱取通過(guò)1 mm 篩孔的風(fēng)干土，采用水浸提電位法，土∶水＝1∶2.5（m/V）測(cè)定土壤pH，采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定堿解氮，采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測(cè)定有效磷，采用NH4OAc 浸提—火焰光度法測(cè)定速效鉀［13］。稱取通過(guò)0.15 mm篩孔風(fēng)干土，采用有機(jī)元素分析儀（Euro Vector EA 3000）測(cè)定全氮；采用總有機(jī)碳測(cè)定儀（Multi N/C 3100/1，German） 測(cè)定土壤有機(jī)碳，換算成土壤有機(jī)質(zhì)（土壤有機(jī)質(zhì)含量＝土壤有機(jī)碳含量×1.724）。土壤樣品理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

利用Biolog-ECO 微平板法研究不同種香草蘭根際土壤微生物功能多樣性［14］。每樣品稱取2 g土壤，倒入18 mL 0.85%無(wú)菌生理鹽水中，之后置于200 r/min 搖床振蕩30 min，靜止15 min；吸取上清液，用生理鹽水稀釋至10-3倍；將制備好的土壤菌懸液接種于Biolog-ECO 微孔板中，每孔接種125 μL，置于28℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)；分別于培養(yǎng)的 24、48、72、96、120、148、168 h 用酶標(biāo)儀測(cè)定波長(zhǎng)為590 nm處的吸光值。

表1 土壤理化性質(zhì)

1.2.2 數(shù)據(jù)計(jì)算

Biolog-ECO 微孔板中有31 種不同碳源，微生物利用碳源過(guò)程中與四唑鹽染料反應(yīng)發(fā)生顏色變化，顏色深淺表明微生物對(duì)碳源的利用程度［15］。AWCD值（平均顏色變化率，Average Well Color Development），用于評(píng)價(jià)土壤微生物群落利用31種碳源的能力［16-17］。采用培養(yǎng) 72 h 的吸光度［14，18］值 計(jì) 算 Shannon-Wiener （H′） 多 樣 性 指 數(shù) 、Simpson（D）優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、McIntosh（U）多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)（S），評(píng)估微生物群落的豐富度、均勻度和多樣性等［18］。

式中：Ci表示第i孔在590 nm 處的吸光值，R表示對(duì)照孔的吸光值，n表示Biolog-ECO微孔板上碳源數(shù)量；Pi表示第i孔的相對(duì)吸光值（C-R）除以整個(gè)微孔板相對(duì)吸光值的總和；ni表示第i孔的相對(duì)吸光值；S表示吸光值＞0.15的碳源。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行ANOVA 方差分析和多重比較（LSD，p＜0.05）；采用Biolog-ECO 微平板培養(yǎng)72 h 的吸光值數(shù)據(jù)進(jìn)行碳源分類及主成分分析，利用Microsoft Excel 2019 做柱狀圖和主成分分析圖（PCA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 四種香草蘭根際土壤微生物利用總碳源的能力

如圖1所示，不同種香草蘭根際土壤微生物群落平均顏色變化率（AWCD 值）隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì)，利用碳源能力不斷增強(qiáng)。在培養(yǎng)24 h內(nèi)，大香草蘭和大花香草蘭根際土壤微生物AWCD值無(wú)顯著差異，增長(zhǎng)幅度顯著低于墨西哥香草蘭和帝皇香草蘭；培養(yǎng)24～144 h，不同種香草蘭根際土壤微生物AWCD 值均大幅增加，碳源的利用率快速增大，144 h 后碳源的利用率趨于平緩。在72 h時(shí)，帝皇香草蘭AWCD值與墨西哥香草蘭、大香草蘭、大花香草蘭相比，分別增加了9.1%、48.4%、76.1%；在整個(gè)培養(yǎng)周期，帝皇香草蘭和墨西哥香草蘭AWCD 值增長(zhǎng)速率顯著大于大香草蘭和大花香草蘭，且帝皇香草蘭對(duì)碳源利用能力在96 h 內(nèi)顯著高于墨西哥香草蘭，96～168 h 與墨西哥香草蘭無(wú)顯著差異。由此可見(jiàn)，不同種香草蘭根際土壤微生物利用碳源能力不同，帝皇香草蘭根際土壤微生物利用碳源能力最強(qiáng)，土壤微生物群落代謝活性最高。

圖1 四種香草蘭根際土壤微生物利用總碳源情況

2.2 四種香草蘭根際土壤微生物利用各類碳源能力

Biolog-ECO 微平板中的31 種碳源分為6 類，碳水化合物、氨基酸、羧酸、多聚物、酚酸、胺類。由圖2 可知，4 種香草蘭根際土壤微生物群落利用各類碳源的能力不同。在培養(yǎng)168 h 期間，帝皇香草蘭土壤微生物群落對(duì)碳水化合物類碳源利用能力顯著高于其他3種香草蘭，大花香草蘭土壤微生物群落利用碳水化合物的能力最弱（圖2-A）。墨西哥香草蘭和帝皇香草蘭土壤微生物群落利用氨基酸類碳源的能力無(wú)顯著差異，但均顯著高于大香草蘭和大花香草蘭（圖2-B）。培養(yǎng)72 h 后帝皇香草蘭土壤微生物群落利用羧酸類碳源能力低于墨西哥香草蘭，但高于大香草蘭（圖2-C）。在培養(yǎng)72 h 之前，帝皇香草蘭土壤微生物群落利用多聚物類碳源能力增幅最大，顯著高于其他種香草蘭，但72 h 后增長(zhǎng)速率趨于平緩，與墨西哥香草蘭無(wú)顯著差異（圖2-D）。在168 h 時(shí)，帝皇香草蘭土壤微生物群落對(duì)酚酸類碳源利用能力最弱，墨西哥香草蘭、大香草蘭、大花香草蘭分別是帝皇香草蘭的2.0、1.8 和1.7 倍（圖2-E）。在168 h時(shí)，不同種間對(duì)胺類碳源的利用能力差異顯著，墨西哥香草蘭利用率較高，與帝皇香草蘭、大花香草蘭、大香草蘭相比，分別增加了16%、26%和50%（圖2-F）。由此可見(jiàn)，4 種香草蘭根際土壤微生物群落對(duì)各類碳源有不同偏好，帝皇香草蘭根際土壤微生物群落利用碳水化合物、氨基酸、多聚物類碳源能力較強(qiáng)，對(duì)酚酸類碳源利用能力最弱；墨西哥香草蘭根際土壤微生物群落對(duì)酚酸、胺類和羧酸類碳源利用能力較強(qiáng)。

2.3 四種香草蘭根際土壤微生物群落多樣性指數(shù)分析

利用Biolog-ECO 微平板培養(yǎng)72 h 的吸光值計(jì)算Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、McIntosh 多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)，分析土壤微生物群落功能多樣性。由表2可知，Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)在3.071～3.162，墨西哥香草蘭和帝皇香草蘭無(wú)顯著差異，但均顯著高于大香草蘭和大花香草蘭。Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)在0.946～0.952，墨西哥香草蘭和帝皇香草蘭無(wú)顯著差異，但均顯著高于大香草蘭和大花香草蘭。帝皇香草蘭McIntosh 多樣性指數(shù)與墨西哥香草蘭、大香草蘭、大花香草蘭相比，分別增加了6.8%、39.5%和65.4%。墨西哥香草蘭豐富度指數(shù)為28，顯著高于其他3種香草蘭，大香草蘭和大花香草蘭無(wú)顯著差異。綜上表明，帝皇香草蘭和墨西哥香草蘭土壤微生物物種多樣性和優(yōu)勢(shì)度高，帝皇香草蘭土壤微生物均勻度高，墨西哥香草蘭土壤微生物對(duì)碳源的利用種類多。

圖2 四種香草蘭根際土壤微生物群落利用各類碳源能力

2.4 四種香草蘭根際土壤微生物利用碳源主成分分析

對(duì)4 種香草蘭根際土壤微生物群落利用31 種碳源的數(shù)據(jù)進(jìn)行PCA分析，根據(jù)主成分分析提取原則（特征值＞1），提取了3 個(gè)主成分，其中PC1（主成分1）和PC2（主成分2）的方差貢獻(xiàn)率分別為47.06%、26.95%，累積方差貢獻(xiàn)率為95.45%。大香草蘭處于PC1 軸負(fù)方向和PC2 軸的正方向，與大花香草蘭距離較近，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)相似，對(duì)碳源的利用能力相似（圖3）。帝皇香草蘭在PC1上明顯區(qū)分于大花香草蘭和大香草蘭，在PC2上明顯區(qū)別于墨西哥香草蘭，且墨西哥香草蘭與大香草蘭及大花香草蘭距離較遠(yuǎn)，說(shuō)明4種香草蘭根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)差異顯著，對(duì)碳源利用能力有較大差異；帝皇香草蘭根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與墨西哥香草蘭、大香草蘭和大花香草蘭明顯不同；大香草蘭和大花香草蘭根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)相似。

表2 四種香草蘭根際土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)分析

圖3 四種香草蘭根際土壤微生物群落利用碳源能力主成分分析

由主成分分析相關(guān)矩陣可知，對(duì)PC1貢獻(xiàn)最大的有17 種碳源（表3），主要包括：6 種碳水化合物（D-木糖、β-甲基D-葡萄糖苷、D-纖維二糖、葡萄糖-1-磷酸鹽、I-赤藻糖醇、D，L-α-甘油）；3種羧酸（丙酮酸甲酯、衣康酸、D-蘋(píng)果酸）；3種氨基酸（L-天冬酰氨酸、L-絲氨酸、甘氨酰-L-谷氨酸）；2 種多聚物（肝糖、α-環(huán)式糊精）；2 種胺類（苯乙基胺、N-乙?；?D-葡萄糖胺）；1 種酚酸，即2-羥基苯甲酸。對(duì)PC2 貢獻(xiàn)最大的有5 種碳源，主要包括2種碳水化合物（α-D-乳糖、D-半乳糖醛酸），1 種羧酸（γ-羥基丁酸），1 種酚酸（4-羥基苯甲酸）和1 種胺類（腐胺）。對(duì)PC1 影響最大的碳源是碳水化合物、羧酸、氨基酸；對(duì)PC2影響最大的碳源是碳水化合物。碳水化合物、羧酸、氨基酸是不同種香草蘭土壤微生物群落利用的主要碳源。

3 討論

不同品種、不同植物基因型影響土壤微生物群落多樣性和代謝活性［8］。楊煒迪等［19］研究了5種牧草根際土壤微生物功能多樣性，發(fā)現(xiàn)不同牧草品種根際土壤微生物在代謝活性、微生物多樣性指數(shù)和不同種類碳源利用能力方面均存在差異。張明莉等［20］研究發(fā)現(xiàn)，外來(lái)種意大利蒼耳與本地種蒼耳根際土壤微生物功能多樣性和對(duì)各類碳源的利用效率差異顯著。本研究通過(guò)分析4種香草蘭根際土壤微生物群落對(duì)總碳源的利用能力發(fā)現(xiàn)，不同種香草蘭根際土壤微生物對(duì)總碳源的利用能力均隨培養(yǎng)時(shí)間增加呈上升趨勢(shì)，土壤微生物活性增強(qiáng)，144 h 后逐漸趨于平緩，土壤微生物活性趨于穩(wěn)定。趙蘭鳳等［21］對(duì)廣東省不同區(qū)域菜園土壤微生物群落進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示土壤微生物群落AWCD 值隨培養(yǎng)時(shí)間延長(zhǎng)呈先升高后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)，與本研究結(jié)果相似?？共》N帝皇香草蘭根際土壤微生物總體碳代謝活力高于其他3種香草蘭（圖1）。Yao 等［8］研究了不同抗性黃瓜品種根際土壤微生物利用碳源能力，發(fā)現(xiàn)易感病黃瓜品種根際土壤微生物利用碳源能力低于抗病品種，這可能是抗病種土壤微生物群落功能多樣性較高的原因［8］。

土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)被廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)土壤微生物群落多樣性變化和土壤微生物群落組成。Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)反映土壤微生物物種的多樣性［22］；Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)反映土壤微生物群落物種優(yōu)勢(shì)度［22］；McIntosh 多樣性指數(shù)反映土壤微生物群落的均勻度［21］；豐富度指數(shù)反映物種可利用的碳源數(shù)量［18，23］。張旭龍等［24］研究表明，不同品種油葵根際土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)差異明顯。由表2可得出，不同種香草蘭根際土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)不同，帝皇香草蘭根際土壤微生物群落多樣性、優(yōu)勢(shì)度和均勻度高，微生物種類高度協(xié)調(diào)，而墨西哥香草蘭根際土壤微生物利用的碳源數(shù)量多，微生物種群豐富。

表3 PC1和PC2相關(guān)的碳源種類

由圖2可知，帝皇香草蘭根際土壤富集較多的可利用碳水化合物、氨基酸、多聚物的微生物，墨西哥香草蘭根際土壤富集較多的可利用酚酸和胺類物質(zhì)的微生物，這可能與其根系分泌物組成不同有關(guān)。植物根系分泌物為土壤微生物提供豐富的營(yíng)養(yǎng)，影響根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)［4］。Kwak 等［25］研究發(fā)現(xiàn)，2 個(gè)不同抗性番茄品種根際微生物菌群結(jié)構(gòu)明顯不同。農(nóng)澤梅等［26］研究發(fā)現(xiàn)，不同品種甘蔗根際微生物優(yōu)勢(shì)菌群存在明顯差異。張旭龍［24］等研究表明，不同品種油葵鹽堿地土壤微生物對(duì)碳源利用能力存在差異，影響了鹽堿地土壤微生態(tài)環(huán)境。基于主成分分析（PCA）結(jié)果，不同種香草蘭根際土壤微生物對(duì)碳水化合物、羧酸類和氨基酸類碳源利用能力較強(qiáng)（表3），說(shuō)明不同種香草蘭根際土壤均富集了可利用碳水化合物、羧酸和氨基酸的微生物，引起不同種香草蘭土壤微生物群落變化的碳源為碳水化合物、羧酸類和氨基酸類物質(zhì)。楊煒迪［19］等研究發(fā)現(xiàn)，不同牧草品種根際土壤微生物利用的主要碳源為碳水化合物類、氨基酸類和羧酸類。李慧等［27］研究也指出，碳水化合物和氨基酸類碳源是5種草原植物根際土壤微生物利用的主要碳源。因此，不同種香草蘭根際土壤微生物群落多樣性不同，可能與其根系分泌物不同有關(guān)。

綜上，4 種香草蘭根際土壤微生物群落功能多樣性和對(duì)各類碳源的偏好均不同，其中，野生抗病種帝皇香草蘭根際土壤微生物代謝活性、群落多樣性、物種優(yōu)勢(shì)度和均勻度較高，利用碳源能力強(qiáng)。本研究為從根際微生態(tài)角度改善主栽種香草蘭土壤菌群結(jié)構(gòu)，從而提升其抗性提供理論基礎(chǔ)。