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    不同有機(jī)肥施用量對反季節(jié)蓮霧園區(qū)土壤細(xì)菌群落的影響

    2021-11-08 12:41:34吳斌黃東梅馬伏寧王必尊宋順何應(yīng)對王麗霞劉永霞
    熱帶作物學(xué)報 2021年9期
    關(guān)鍵詞:蓮霧有機(jī)肥

    吳斌 黃東梅 馬伏寧 王必尊 宋順 何應(yīng)對 王麗霞 劉永霞

    摘? 要:以海南蓮霧(Syzygium samarangense)為研究對象,采用Illumina MiSeq高通量測序技術(shù),比較分析不同有機(jī)肥施用量對反季節(jié)蓮霧園區(qū)土壤細(xì)菌群落多樣性的影響。結(jié)果表明:(1)共檢測到741 391條有效序列,32 778個OTU(operational taxonomic unit,操作分類單元),包含28門分類和418個屬分類,其中酸桿菌門(Acidobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)和變形菌門(Proteobacteria)為優(yōu)勢群落;(2)土壤細(xì)菌群落多樣性和豐富度順序?yàn)锽ML(香蕉莖稈有機(jī)菌肥,低濃度,2 kg/株)=GML(羊糞有機(jī)肥,低濃度,2 kg/株)>GMM(羊糞有機(jī)肥,中濃度,4 kg/株)=BMH(香蕉莖稈有機(jī)菌肥,高濃度,6 kg/株)>CK(對照)>GMH(羊糞有機(jī)肥,高濃度,6 kg/株)=BMM(香蕉莖稈有機(jī)菌肥,中濃度,4 kg/株);(3)線性判別分析(linear discriminant analysis effect size, LEfSe)發(fā)現(xiàn)不同施肥處理組(CK處理組、GM處理組、BM處理組)中有37個顯著差異的物種(5個綱,7個目,9個科,8個屬,8個種),與維恩圖的分析結(jié)果一致,即不同濃度的羊糞有機(jī)肥和香蕉莖稈有機(jī)菌肥處理下的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)具有一定的相似性和差異性。研究表明,施用低濃度的羊糞有機(jī)肥和香蕉莖稈有機(jī)菌肥時,土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的多樣性顯著高于其他處理。因此,蓮霧反季節(jié)催花時,施用低濃度的有機(jī)肥不僅有利于提高土壤細(xì)菌群落的多樣性和穩(wěn)定性,同時還可以減少有機(jī)肥施用量,達(dá)到精準(zhǔn)施肥的目的。

    關(guān)鍵詞:蓮霧;反季節(jié)催花;有機(jī)肥;細(xì)菌群落;Illumina MiSeq

    中圖分類號:Q939.96????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

    Effects of Different Organic Fertilizer Rates on the Bacterial Community of Off-season Syzygium samarangense Park Soil

    WU Bin, HUANG Dongmei, MA Funing, WANG Bizun, SONG Shun, HE Yingdui, WANG Lixia,

    LIU Yongxia*

    Haikou Expenmental Station (Insttute of Tropical Fruit Tree Research), Chinese Academy of Tropical Agnicultural Sciences / Hainan Key Laboratory of Banana Genetic Improvement, Haikou, Hainan 571101, China

    Abstract: The effects of different organic fertilizer rates on the bacterial community diversity of soil in the off-season Syzygium samarangense plantation were analyzed using the Illumina MiSeq high-throughput sequencing technology. 741 391 effective sequences and 32 778 operational taxonomic units (OTU) were detected, including 28 phyla and 418 genera. Acidobacteria, Chloroflexi and Proteobacteria were the dominant soil bacterial communities under different fertilizers in S. samarangense plantation. The order of the soil bacterial communities diversity and richness was the BML (organic fungi-manure for banana stalks, low concentration, 2 kg per plant) = the GML (organic manure of sheep manure, low concentration, 2 kg per plant) > the GMM (organic manure of sheep manure, medium concentration, 4 kg per plant) = the BMH (organic fungi-manure for banana stalks, high concentration, 6 kg per plant) > the CK (Control) > the GMH (organic manure of sheep manure, high concentration, 6 kg per plant) = the BMM (organic fungi-manure for banana stalks, medium concentration, 4 kg per plant). 37 significantly different species (5 classes, 7 orders, 9 families, 8 genera and 8 species) in the different fertilization treatment (CK treatment group, GM treatment group, BM treatment group) were found using the linear discriminant analysis effect size (LEfSe) analysis, which was consistent with the results from Venn, i.e.. The soil bacterial community structure was similar, but still had some differences under different concentrations of organic manure treatments. Moreover, the soil bacterial community diversity under low concentration of sheep and banana stalk manures was significantly higher than those of the other treatments. It indicates that low concentration of organic fertilizer could not only improve the soil bacteria diversity and soil bacterial community structure stability, but also save fertilizer use.

    Keywords: Syzygium samarangense; promoting flowers of counter-season; organic fertilizer; soil bacterial community; Illumina MiSeq

    DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.09.039

    蓮霧(Syzygium samarangense),又稱洋蒲桃,屬桃金娘科喬木,是著名的熱帶水果之一。蓮霧全年枝葉繁多,葉片凋落到地面形成較好的有機(jī)質(zhì)來源,豐富了細(xì)菌群落的孕育。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),自然環(huán)境下土壤微生物中的細(xì)菌群落可達(dá)106~ 109個/g,約占70%以上,由于細(xì)菌群落的大量存在,因此在維持土壤微生態(tài)中發(fā)揮著主要的作用[1-3]。細(xì)菌群落的多樣性和豐富度的增加,不僅有助于維持土壤微生態(tài)的穩(wěn)定性[4-6],同時還促進(jìn)植物對營養(yǎng)元素的吸收。蓮霧在進(jìn)行反季節(jié)催花時,為了提升產(chǎn)量和品質(zhì),通常以施用有機(jī)肥為主。但頻繁、過量施用有機(jī)肥會破壞土壤細(xì)菌群落的平衡[7-8]。因此,為了科學(xué)施用有機(jī)肥,達(dá)到精準(zhǔn)施肥、提質(zhì)增效的目的,開展不同類型有機(jī)肥及其施用濃度對蓮霧園區(qū)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響的研究具有重要意義。

    目前,涉及細(xì)菌群落多樣性研究的主要方法是傳統(tǒng)培養(yǎng)方法與分子技術(shù)。由于自然界中超過99%的細(xì)菌無法進(jìn)行人工培養(yǎng)或人工培養(yǎng)難以成活[9-10],因此,基于傳統(tǒng)培養(yǎng)方法進(jìn)行研究存在一定的局限性[11-13]。分子技術(shù)方法發(fā)展至今,對土壤細(xì)菌群落的多樣性進(jìn)行研究分別有變性梯度凝膠電泳(PCR-DGGE)、末端限制性長度多態(tài)性(T-RFLP)、Sanger測序和焦磷酸測序等技術(shù)手段[14-15]。由于Illumina MiSeq高通量測序技術(shù)對數(shù)據(jù)量的測序深度較高,相對于其他分子方法能夠較全面地解析土壤細(xì)菌群落的情況。因此,本文基于Illumina MiSeq高通量測序技術(shù),分析不同有機(jī)肥施用量對蓮霧園區(qū)土壤細(xì)菌群落多樣性的影響,為合理科學(xué)施用有機(jī)肥提供數(shù)據(jù)支持。

    1? 材料與方法

    1.1? 試驗(yàn)處理

    選取長勢一致的蓮霧,即將開展反季節(jié)催花時,進(jìn)行如下處理:CK(不進(jìn)行任何處理)、GML(羊糞有機(jī)肥,低濃度,2 kg/株)、GMM(羊糞有機(jī)肥,中濃度,4 kg/株)、GMH(羊糞有機(jī)肥,高濃度,6 kg/株)、BML(香蕉莖稈有機(jī)菌肥,低濃度,2 kg/株)、BMM(香蕉莖稈有機(jī)菌肥,中濃度,4 kg/株)、BMH(香蕉莖稈有機(jī)菌肥,高濃度,6 kg/株)。其中,羊糞有機(jī)肥中有機(jī)質(zhì)≥35%,香蕉莖稈有機(jī)菌肥中N+P2O5+K2O≥5%、有機(jī)質(zhì)≥45%、菌劑∶香蕉莖稈有機(jī)肥=1∶20。

    1.2? 樣品采集

    選取植株冠幅下距主干70~80 cm、深度10~15 cm處的土層進(jìn)行樣品采集,每個處理隨機(jī)采集3~4個土樣,開展微生物總DNA的提取和土壤理化性質(zhì)測定。

    1.3? 土壤理化性質(zhì)測定

    參照《土壤理化分析與剖面描述》進(jìn)行全氮(TN)、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、pH等土壤理化性質(zhì)的測定[16]。

    1.4? 樣品總DNA提取

    采用Power Soil? DNA Isolation Kit (MOBIO, USA)試劑盒,參照試劑盒使用說明書進(jìn)行土壤微生物總DNA的提取和定性定量檢測。

    1.5? PCR擴(kuò)增及高通量測序

    根據(jù)細(xì)菌16S rRNA V3-V4區(qū)保守序列合成338F/806R引物,以土壤微生物總DNA為模板,進(jìn)行PCR擴(kuò)增并回收PCR產(chǎn)物。委托上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司進(jìn)行Illumina MiSeq高通量測序。

    1.6? 數(shù)據(jù)處理

    采用Excel 2016軟件進(jìn)行前期處理,采用IBM SPSS Statistics 22軟件進(jìn)行多組樣本間差異顯著性分析(Duncan法)。采用QIIME進(jìn)行OTU分析[17],采用Mothur和UniFrac進(jìn)行α多樣性分析[18-19]和β多樣性分析[20],采用R語言等軟件進(jìn)行維恩圖、熱圖和群落結(jié)構(gòu)組分圖等分析。

    2? 結(jié)果與分析

    2.1? 蓮霧園區(qū)土壤理化性質(zhì)

    由表1可知,不同施肥處理下的蓮霧園區(qū)土壤,除含水量不存在顯著性差異外,全氮(TN)、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量及pH均存在顯著差異(P<0.05)。此外,不同類型和濃度的施肥處理可使土壤中速效磷和速效鉀的濃度顯著低于對照(P<0.05)。

    2.2? 蓮霧園區(qū)土壤細(xì)菌群落OTU及多樣性分析

    基于Illumina MiSeq測序平臺進(jìn)行高通量測序,共獲得741 391條有效序列;聚類分析獲得32 778個OTU(表2)。分析不同施肥處理樣品獲得的稀釋曲線亦表明各個樣品的測序深度較高,稀釋曲線趨近于平坦(圖1),測序結(jié)果已具有代表性[21],可進(jìn)行下一步分析。

    基于分析表征細(xì)菌豐富度的ACE指數(shù)、Chao1指數(shù),以及指示細(xì)菌多樣性的Shannon- Wiener和Simpson指數(shù)可知,在羊糞有機(jī)肥GML和GMM處理后的土壤細(xì)菌群落多樣性和豐富度均高于對照,其中GML(低濃度羊糞有機(jī)肥)處理后細(xì)菌群落豐富度最高,但GMH處理低于對照;在香蕉莖稈有機(jī)菌肥處理下,雖然BML(低濃度香蕉莖稈有機(jī)菌肥)處理后細(xì)菌群落豐富度最高,與羊糞有機(jī)肥處理結(jié)果相似,但細(xì)菌群落豐富度最低的表現(xiàn)為BMM,且低于對照。

    綜上所述,不同施肥處理下蓮霧園區(qū)土壤細(xì)菌群落多樣性和豐富度大小順序?yàn)椋築ML= GML>GMM=BMH>CK>GMH=BMM。由于BML和GML兩種處理均無顯著性差異,無法比較出BML和GML處理對蓮霧根際土壤細(xì)菌群落多樣性的影響程度。從整體上看,在低濃度(2 kg/株)處理下,羊糞有機(jī)肥和香蕉莖稈有機(jī)菌肥對蓮霧園區(qū)土壤細(xì)菌群落的影響顯著高于其他處理。

    2.3? 蓮霧園區(qū)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成分析

    通過Silva數(shù)據(jù)庫比對發(fā)現(xiàn),樣品中的細(xì)菌群落包含28門分類(圖2A),所有土壤樣品中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的組成存在一定的相似性。其中,酸桿菌門(Acidobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)和變形菌門(Proteobacteria)占比最高,以上3種細(xì)菌群落約占土壤總細(xì)菌群落的73.47%~81.03%,在蓮霧園區(qū)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)中起著主要作用。與對照相比,GML、GMM、GMH、BML和BMH處理下,酸桿菌門占比最高,分別為33.22%、35.46%、32.25%、27.54%和33.48%,而在對照和BMM處理中,變形菌門占比最高,分別為27.30%和27.89%。酸桿菌門群落的大量存在與蓮霧園區(qū)偏酸性的磚紅壤類型密切相關(guān)[22]。由于不同施肥方式及其不同濃度處理導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變,對土壤各個優(yōu)勢菌群的影響存在一定的差異(如BMM)。

    為進(jìn)一步細(xì)化分析細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)間的差異,在屬分類學(xué)水平上開展分析,共檢測出418個屬(如圖2B)。除GML處理外,在其余的6個處理中(含CK),綠彎菌門下的一個分屬JG37-AG-4所占比例最高,其中CK、GMM、GMH、BML、BMM、BMH處理的占比分別為13.00%、12.36%、15.89%、9.50%、16.21%、14.30%。而在GML處理中,優(yōu)勢菌屬為酸桿菌門下的一個分屬Subgroup_2,其占比為11.57%。

    由不同施肥處理的土壤細(xì)菌OTU維恩圖(圖3)可知,3種施肥處理類型,細(xì)菌OTU總量為2443個,而共有OTU為1719個,占比70.4%;CK、GM和BM處理特有的OTU數(shù)量分別為20、67和80個,占比分別為0.8%、2.7%和3.3%。表明不同濃度羊糞有機(jī)肥和香蕉莖稈有機(jī)菌肥處理蓮霧園區(qū)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)具有一定的相似性和差異性。

    2.4? 蓮霧園區(qū)土壤細(xì)菌群落空間差異物種(Biomarker)分析

    根據(jù)不同施肥處理下,蓮霧園區(qū)土壤細(xì)菌群落的組間差異物種(Biomarker)進(jìn)行LEfSe分析,將LDA的閾值設(shè)定為3.5,發(fā)現(xiàn)不同處理組間(CK處理組、GM處理組、BM處理組)的差異顯著菌群(圖4),并對不同差異的群落物種進(jìn)行門、綱、目、科、屬、種的分支情況展開分析(圖5)。發(fā)現(xiàn)不同施肥處理組中共存在37個顯著差異的物種,其中CK處理組中具有顯著性差異的物種最多(20個種群:2個綱,3個目,6個科,4個屬,5個種),其次為GM處理組(11個種群:2個綱,3個目,2個科,2個屬,2個種),最后是BM處理組(6個種群:1個綱,1個目,1個科,2個屬,1個種)。

    3? 討論

    反季節(jié)蓮霧不僅可以滿足消費(fèi)市場的需求,還可以增加果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)收入,顯著提高果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益。蓮霧在進(jìn)行反季節(jié)催花調(diào)控時,為了提高產(chǎn)量和品質(zhì),降低反季節(jié)生產(chǎn)對植株的損傷,需要施用催花肥,促進(jìn)植株生長。催花肥的施用量或施用類型都會改變土壤理化性質(zhì),從而對蓮霧園區(qū)土壤細(xì)菌群落多樣性產(chǎn)生影響[8]。目前,蓮霧催花肥的施用類型中,主要有無機(jī)肥、有機(jī)肥、微生物菌肥等。本文對施用羊糞有機(jī)肥和添加無機(jī)肥、菌劑的香蕉莖稈有機(jī)菌肥的蓮霧園區(qū)土壤細(xì)菌群落進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)不同施肥處理對土壤理化指標(biāo)的影響存在顯著差異。

    細(xì)菌群落的豐度和多樣性對土壤微環(huán)境的穩(wěn)定性起著不可或缺的作用。人工施肥或添加外源菌劑等方式致使外界因素發(fā)生變化時,土壤細(xì)菌群落會隨之發(fā)生變化[23-26]。本文基于Illumina MiSeq高通量測序技術(shù),分析羊糞有機(jī)肥和香蕉莖稈有機(jī)菌肥對蓮霧園區(qū)土壤細(xì)菌群落多樣性的影響,發(fā)現(xiàn)表征土壤細(xì)菌豐富度的ACE、Chao1指數(shù),以及指示細(xì)菌多樣性的Shannon-Wiener和Simpson多樣性指數(shù)大小順序?yàn)锽ML=GML> GMM=BMH>CK>GMH=BMM。同時與對照相比,發(fā)現(xiàn)土壤細(xì)菌群落會隨著施肥類型和濃度的變化而發(fā)生顯著性變化,與前人研究結(jié)果相一致[27-28]。無論是羊糞有機(jī)肥還是香蕉莖稈有機(jī)菌肥,低濃度(2 kg/株)施用時,土壤細(xì)菌群落的多樣性顯著高于同類型肥料的其他處理濃度,但在低濃度處理下的2種肥料之間無顯著差異。從多樣性和豐富度的角度分析,施用低濃度(2 kg/株)的有機(jī)肥(含羊糞有機(jī)肥和香蕉莖稈有機(jī)菌肥)有利于提高土壤細(xì)菌群落的穩(wěn)定性,與前人研究結(jié)果大致一致[29-30]。

    門分類水平分析表明,酸桿菌門(Acidobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)和變形菌門(Proteobacteria)是不同施肥處理蓮霧園區(qū)土壤中的優(yōu)勢菌門,與前期研究結(jié)果大致相同[31]。其中,酸桿菌門(Acidobacteria)占比最大,與試驗(yàn)地區(qū)磚紅壤的酸堿度存在一定的相關(guān)性,酸桿菌門在土壤生態(tài)循環(huán)中具有重要作用[32]。綠彎菌門(Chloroflexi)細(xì)菌是一種含有綠色色素的細(xì)菌門類,其豐富度與土壤的保水性和植株的生物量存在顯著正相關(guān)[33-34]。變形菌門(Proteobacteria)是細(xì)菌中最大的一門,包括病原菌和固氮菌等。屬分類水平分析表明,在BML、GMM、BMH、CK、GMH、BMM等6個處理中,綠彎菌門下的一個分屬JG37-AG-4所占比例最高,而在GML處理中,優(yōu)勢菌屬為酸桿菌門下的一個分屬Subgroup_2占比最大。表明不同施肥類型和施肥濃度處理下的蓮霧園區(qū)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)存在一定的相似性和差異性?;贚EfSe分析,對照組(CK組)、羊糞有機(jī)肥處理組(GM組)和香蕉莖稈有機(jī)菌肥處理組(BM組)中,共檢測到37個具有顯著差異的物種,其中CK組20個,GM組11個,BM組6個。表明不同類型施肥處理形成了不同施肥特有的細(xì)菌組成,這一結(jié)果與維恩圖分析結(jié)果相一致。

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    責(zé)任編輯:謝龍蓮

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