農(nóng)田土壤中真菌群落在時間序列對鉻脅迫的響應(yīng)機(jī)制*

白 雪,趙鑫宇,景秀清,趙曉東,燕平梅,趙鵬宇**

(1.太原師范學(xué)院 榆次 030619; 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 太谷 030800)

隨著工業(yè)的發(fā)展,如制革、冶金等,鉻 (Cr) 已成為地下水與土壤中最常見的重金屬污染之一。研究表明我國農(nóng)田土壤環(huán)境的重金屬污染總超標(biāo)率為16.1%,其中山西省土壤重金屬Cr污染的平均含量高于全國均值。由此,Cr已經(jīng)成為我國土壤主要重金屬污染物之一,因其具有高移動性和毒害性等特征,可通過質(zhì)膜進(jìn)入機(jī)體導(dǎo)致遺傳物質(zhì)改變,因此對農(nóng)田土壤、植物生長、糧食安全生產(chǎn)乃至人體健康都產(chǎn)生了嚴(yán)重威脅。重金屬Cr在自然界中存在不同的氧化價態(tài),其中三價 (Ⅲ) Cr是人體所必須的微量元素,可調(diào)節(jié)血糖; 而六價Cr (Ⅵ)卻具有嚴(yán)重的毒害作用,較高的化學(xué)活性使其更易被植物吸收。有研究表明0.5 mg·L的Cr (Ⅵ)溶液就會對植物產(chǎn)生毒性作用。根際土壤是生物代謝的活躍位點(diǎn),Cr在植物體內(nèi)的遷移與積累也大多發(fā)生在根際土壤。而土壤中重金屬積累必然會導(dǎo)致土壤中原始微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,顯著影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。

微生物雖占土壤有機(jī)質(zhì)較少一部分,但土壤微生物是決定土壤生物化學(xué)特性的重要組分,參與土壤的養(yǎng)分循環(huán)、污染物降解等過程,對重金屬敏感性極強(qiáng)。因此,其結(jié)構(gòu)與功能變化是評價土壤環(huán)境的有力指標(biāo)。鑒于農(nóng)田土壤環(huán)境污染的嚴(yán)峻性以及重金屬污染的長期危害性,近年來農(nóng)田土壤重金屬污染、土壤微生物群落適應(yīng)并響應(yīng)重金屬污染的機(jī)制已成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。Wang等發(fā)現(xiàn)微生物對重金屬敏感性依次為Cr＞Pb＞As＞Co＞Zn＞Cd＞Cu,不同重金屬對微生物群落結(jié)構(gòu)也有不同影響。目前研究多集中于細(xì)菌對重金屬污染的響應(yīng)上,特別是對細(xì)菌群落多樣性的影響。如Orwin等、于皓等研究表明,高濃度的Cu、Cr污染顯著影響土壤細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)組成與α多樣性; Chai等研究表明從污染土壤中分離出的細(xì)菌菌株具有明顯的Cr抗性和Cr還原能力; 但Wang等研究表明濕地植物風(fēng)車草 () 在不同栽培模式下,Cr脅迫并未引起根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的顯著差異。

由于真菌具有孢子、菌核等耐性較強(qiáng)的組織結(jié)構(gòu),因此真菌廣泛存在于各種類型的土壤,具有較高的系統(tǒng)發(fā)育和功能多樣性,且對重金屬污染耐性較強(qiáng)。真菌作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組分,對不同重金屬的反應(yīng)也有所不同。如Hu等研究表明土壤真菌群落通過復(fù)雜的相互作用以適應(yīng)長期Cr污染;劉晉仙等研究發(fā)現(xiàn)重金屬復(fù)合污染的尾礦廢水中環(huán)境因子對真菌群落的α多樣性有顯著影響,而群落的β多樣性主要受種間相互作用關(guān)系的影響。目前關(guān)于Cr脅迫土壤微生物群落的研究相對較少,且研究多集中于土壤細(xì)菌,對于Cr脅迫時間序列上農(nóng)田土壤中真菌群落響應(yīng)機(jī)制的研究還有所缺乏。

此外,本研究將Cr脅迫視為一種“生態(tài)擾動”,它會引起瞬時的土壤微生物群落破壞,導(dǎo)致微生物群落重建和功能恢復(fù)過程的差異,進(jìn)而探究農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)中真菌群落的動態(tài)變化過程。‘晉谷21號’是山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所最新培育的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)谷子 () 新品種,出籽率高、結(jié)實(shí)性好、幼苗生長勢強(qiáng)、早熟,且抗病穩(wěn)產(chǎn)。本研究以種植過‘晉谷21號’谷子的土壤為研究對象,通過添加外源Cr探究Cr脅迫時間序列上農(nóng)田土壤中真菌群落的響應(yīng)機(jī)制、群落構(gòu)建驅(qū)動機(jī)制及功能預(yù)測分析,揭示土壤中真菌群落在Cr脅迫時間序列上的動態(tài)變化規(guī)律,為‘晉谷21號’谷子安全栽培及Cr污染環(huán)境治理以及恢復(fù)提供參考。

1 材料和方法

1.1 材料

供試材料為山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所最新培育的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)谷子新品種‘晉谷21號’。研究所用土壤為褐土,土壤pH平均為7.65,總氮為0.13 g·kg,總磷為1.32 g·kg,不含Cr,土壤有機(jī)質(zhì)(SOC)為32 g·kg。

藥劑為重鉻酸鉀(KCrO,1 mmol·LCr)。

1.2 試驗(yàn)及取樣的設(shè)置

本研究在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行盆栽試驗(yàn)。挑選顆粒飽滿、大小均勻的‘晉谷21號’種子若干,用自來水洗去包衣后,置于墊有濕紗布的盒中為種植做預(yù)處理。準(zhǔn)備15個花盆,每個花盆直徑15 cm、盆深20 cm,種植前先用滅菌蒸餾水調(diào)整土壤濕度至田間持水量的40%,以滿足谷子苗期的生長需求; 每盆500 g土壤,均勻點(diǎn)放40～50顆‘晉谷21號’種子; 隨后用保鮮膜包裹花盆,放在智能光照培養(yǎng)室中培養(yǎng),直至種子發(fā)芽(包裹保鮮膜是為防止空氣中的雜菌污染土壤)?？刂婆囵B(yǎng)溫度在26 ℃促進(jìn)種子的萌發(fā)與生長。培養(yǎng)15 d左右待谷子長勢均一時,在試驗(yàn)組托盤中每盆施加300 mL的1 mmol·LCr。培養(yǎng)期間種子出苗率為97%。

試驗(yàn)分3個處理 (對照和兩個Cr脅迫處理): 對照 (CK)、Cr脅迫6 h (Cr_6 h)、Cr脅迫6 d (Cr_6 d)。每個處理6個重復(fù),共18個樣本。本研究參考肖文丹等研究,設(shè)置兩個Cr脅迫處理 (Cr_6 h和Cr_6 d),原因在于當(dāng)Cr脅迫約6 h,土壤中真菌群落對Cr所造成的生態(tài)擾動會產(chǎn)生一定的應(yīng)激反應(yīng); 而當(dāng)Cr脅迫約6 d時,群落逐漸修復(fù)并呈現(xiàn)出穩(wěn)定的狀態(tài)。但由于重金屬污染周期長、難降解,因此未對6 d后土壤樣本做后續(xù)分析。

取樣盡量保持根際土壤的完整性,不破壞取樣。所取土樣儲存在—80 ℃冰箱待用,用于后續(xù)序列測定。

1.3 測定方法

1.3.1 DNA的提取

稱取1 g土壤,用Power Soil試劑盒提取土樣DNA。利用瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA提取物是否降解,提取物純度與濃度用酶標(biāo)儀測定,當(dāng)A260/A280吸光度在1.8～2.0時,表明所提取的DNA純度較高,可用于下一步分析。

1.3.2 PCR擴(kuò)增與測序

將提取的基因組DNA進(jìn)行PCR擴(kuò)增,PCR擴(kuò)增體系如下 (25 μL): Taq DNA聚合酶 (5 U·μL) 0.5 μL,10×PCR 緩沖液5.0 μL,dNTPs溶液4.0 μL,模板DNA 5.0 μL,引物 (50 μmol·L) 0.5 μL,用無菌 水補(bǔ)至25 μL。PCR反應(yīng)條件: 預(yù)變性98 ℃ 1 min; 98 ℃ 10 s,50 ℃ 30 s,72 ℃ 30 s,共30個循環(huán); 終延伸72 ℃ 5 min?；靹虻腄NA樣品送至上海美吉生物技術(shù)工程有限公司上機(jī)測序,以ITS1F_ITS2R為序列擴(kuò)增區(qū)域,通過Illumina Miseq測序平臺對ITS進(jìn)行測序,測序完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

1.4 生物信息學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

測序平臺所得的原始數(shù)據(jù)通過序列拼接、質(zhì)控等得到高質(zhì)量序列。按照97%的序列相似性將序列聚類為OTU,以O(shè)TU豐度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行物種注釋分析,統(tǒng)計(jì)土壤樣本中真菌群落的組成狀況。

用軟件Excel 2007輔助數(shù)據(jù)分析與作圖。利用單因素方差分析 (ANOVA) 評估不同處理土壤真菌群落的組成結(jié)構(gòu)、α多樣性、群落構(gòu)建過程及功能預(yù)測分析的差異。利用Sobs指數(shù)、Shannon指數(shù)等探究真菌群落的α多樣性。利用非度量多維尺度分析 (NMDS) 對Cr脅迫后不同時間真菌群落的時空分布格局進(jìn)行排序分析,以Stress值驗(yàn)證分析結(jié)果的好壞,通常認(rèn)為stress＜0.2時圖形具有一定解釋意義。利用FUNGuild功能預(yù)測,劃分對環(huán)境資源吸收與利用相似的類群。根據(jù)營養(yǎng)方式,真菌中Guild種類劃分為3類: 病原營養(yǎng)型 (pathotroph)、共生營養(yǎng)型 (symbiotroph) 和腐生營養(yǎng)型 (saprotroph),進(jìn)而對擴(kuò)增子測序結(jié)果中真菌群落的類別及具體功能進(jìn)行預(yù)測分析。

1.5 群落構(gòu)建分析

群落構(gòu)建分析過程中,種間網(wǎng)絡(luò)分析的參數(shù)運(yùn)算用R語言igraph程序包,并在Gepih軟件中實(shí)現(xiàn)可視化 (https://gephi.org/)。用R語言的Hmisc等程序包構(gòu)建中性群落模型 (NCM),進(jìn)一步判斷土壤真菌群落的構(gòu)建機(jī)制。參考Stegen等提出的基于系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)的分析方法,判斷土壤中真菌群落構(gòu)建過程中的驅(qū)動因素。當(dāng)所有樣品中NTI的中位數(shù)在—2～2之間,說明隨機(jī)過程主導(dǎo)微生物群落結(jié)構(gòu)的變化,當(dāng)NTI的中位數(shù)大于2或小于—2,說明確定過程主導(dǎo)微生物群落結(jié)構(gòu)的變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cr脅迫時間序列上的真菌群落結(jié)構(gòu)

2.1.1 真菌群落組成

通過高通量測序,共獲得1 286 712個有效序列,比對出1304個真菌分類單元(OTUs)。觀測Rank-Abundance曲線,曲線走勢趨于平緩,表明測序量基本能達(dá)到分析要求。觀察韋恩圖(圖1),3種處理(CK、Cr_6 h、Cr_6 d) 共檢測出578個共有OTUs(占所有OTUs的44.33%)。CK、Cr_6 h和Cr_6 d階段特有OTUs分別為170個 (13.04%)、155個 (11.89%)和118個 (9.05%)。

圖1 Cr脅迫時間序列上的真菌群落OTUs Venn圖Fig.1 OTUs Venn diagram of fungal communities in the Cr stress time series

2.1.2 真菌群落的結(jié)構(gòu)分析

門水平相對豐度大于10%的真菌門共比對出5種 (圖2A),其中子囊菌門(Ascomycota) 平均相對豐度最高(87.64%),其次是擔(dān)子菌門(Basidiomycota,3.02%)、壺菌門(Chytridiomycota,1.56%)、被孢菌門(Mortierellomycota,1.13%) 和羅茲菌門 (Rozellomycota,0.27%)。子囊菌門相對豐度在Cr脅迫時間序列上先升后降,擔(dān)子菌門和壺菌門先降后升,且壺菌門在Cr脅迫時間序列上豐度變化顯著 (＜0.01); 被孢菌門(Mortierellomycota) 在Cr脅迫時間序列上豐度下降極顯著 (＜0.001),其他菌群則無顯著差異(＞0.05)。

屬水平相對豐度大于20%的真菌屬共比對出15個(圖2B),其中豐度前5的真菌屬包括毛殼菌屬(,平均相對豐度8.54%)、赤霉菌屬 (,7.31%)、鐮刀菌屬 (,6.63%)、金孢子菌屬(,5.61%) 和瓶毛殼屬(,4.66%)。在Cr脅迫時間序列上,鐮刀菌屬相對豐度先下降后顯著增加 (＜0.05),赤霉菌屬與噬熱直菌屬() 分別呈極顯著(＜0.01) 和顯著下降(＜0.05),毛殼菌屬、金孢子菌屬、瓶毛殼屬與地絲霉屬() 先升后降,其中瓶毛殼屬變化下降(＜0.05)。另外,粉褶蕈屬() 在Cr_6 d階段單獨(dú)存在,相對豐度為3.19%。上述結(jié)果表明Cr脅迫導(dǎo)致真菌群落組成結(jié)構(gòu)變化顯著。

圖2 Cr脅迫時間序列上門水平（A）和屬水平（B）真菌群落結(jié)構(gòu)與差異性Fig.2 Phylum level (A) and genus level (B) fungal community structure and differences among treatments in the Cr stress time series

2.1.3 真菌群落的多樣性

圖3 Cr脅迫時間序列上真菌群落多樣性指數(shù)分析Fig.3 Analysis of fungal community diversity indexes in the Cr stress time series

通過基于Bray_Curtis距離的非度量多維尺度分析 (NMDS),探明土壤中真菌群落的時空分布格局(圖4)。土壤中真菌群落結(jié)構(gòu)在Cr脅迫相同時間內(nèi)更相似,而在不同脅迫時間間差異較大。通過組間差異顯著性分析 (ADONIS,=0.001),土壤中真菌群落的時空分布格局在Cr脅迫時間序列上差異顯著。

圖4 Cr脅迫時間序列上真菌群落的非度量多維尺度分析Fig.4 Non-metric multidimensional scale analysis of fungal communities on the Cr stress time series

2.2 Cr脅迫時間序列上真菌群落構(gòu)建機(jī)制

根據(jù)Cr脅迫不同時間段土壤真菌群落的NTI值 (圖5),結(jié)合Stegen等的群落構(gòu)建的劃分方法,推斷Cr脅迫時間序列上群落構(gòu)建過程中隨機(jī)過程占主導(dǎo)地位 (NTI|＜2),NTI值 (即箱線圖中的中位數(shù)) 在CK、Cr_6 h、Cr_6 d階段分別為—0.16、—0.71、—0.23。

圖5 Cr脅迫時間序列上土壤真菌群落的beta NTI值Fig.5 beta NTI values of soil fungal communities in the Cr stress time series

2.2.1 真菌群落種間共生網(wǎng)絡(luò)

通過真菌群落共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)分析,利用Spearsman相關(guān)性分析評估不同菌群間的相關(guān)性,反映特定生境下真菌菌群的共存格局; 通過構(gòu)建種間共生網(wǎng)絡(luò)圖,探究Cr脅迫時間序列上土壤真菌群落的種間關(guān)系。據(jù)表1,Cr_6 d的共生網(wǎng)絡(luò)的邊數(shù)量、平均度和平均路徑長度均較CK和Cr_6 h更高,表明Cr_6 d的真菌網(wǎng)絡(luò)規(guī)模更大,種間相互作用的關(guān)系更復(fù)雜。

據(jù)種間共生網(wǎng)絡(luò)圖 (圖6) 分析可知,Cr脅迫時間序列上的關(guān)鍵物種不同: CK階段的關(guān)鍵物種為金孢子菌屬和毛殼菌屬等,Cr_6 h階段為赤霉菌屬和鐮刀菌屬等,Cr_6 d階段為赤霉菌屬、青霉菌屬() 和瓶毛殼屬等。不同階段真菌群落多病原、病理型真菌,且真菌群落模塊變化趨勢與表1一致;同一模塊中以正相關(guān)為主,表明Cr脅迫處理后真菌群落以共生關(guān)系為主,而競爭關(guān)系較弱。

圖6 Cr脅迫時間序列上的真菌種群間共生網(wǎng)絡(luò)圖（a:CK; b: Cr_6 h,Cr脅迫后6 h; c: Cr_6 d,Cr脅迫后6 d）Fig.6 Inter-population symbiosis network diagram of fungi in the Cr stress time series (a: CK; b: Cr_6 h,Cr stress for 6 hours; c: Cr_6 d,Cr stress for 6 days)

表1 Cr脅迫時間序列上的真菌群落網(wǎng)絡(luò)屬性表Table 1 Network attributes of fungal communities on the Cr stress time series

2.2.2 群落構(gòu)建的隨機(jī)過程

圖5顯示Cr脅迫時間序列上真菌群落|NTI|＜2,表明真菌群落構(gòu)建由隨機(jī)過程主導(dǎo)。因此本研究通過構(gòu)建Sloan等提出的中性群落模型進(jìn)一步量化隨機(jī)過程。

在變電站匯控箱安裝模塊化的智能溫濕度測控器，實(shí)施監(jiān)測、顯示、記錄每臺抽濕機(jī)的工作狀態(tài)，并可通過終端監(jiān)控軟件平臺手動對抽濕機(jī)的啟停進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，將濕度參數(shù)與抽濕機(jī)啟停進(jìn)行聯(lián)動，當(dāng)濕度超高時，自動啟動抽濕機(jī)，消除濕氣對設(shè)備的腐蝕危害，提高了電氣絕緣性能，保障設(shè)備的運(yùn)行安全[1]。

基于OTU矩陣?yán)L制中性群落模型 (NCM,圖7),估算OTU發(fā)生頻率與其相對豐度變化間的關(guān)系。CK、r_6 h和Cr_6 d處理的模型分別解釋了群落方差的59.3%、61.4%和63.8%,總體解釋度為73.9%。NCM在Cr脅迫時間序列上較高的解釋率 () 說明該模型可較好地?cái)M合土壤中真菌群落的分布模式,且隨機(jī)過程在土壤真菌群落的構(gòu)建中起重要作用。在Cr脅迫時間序列上,真菌群落值[元群落規(guī)模 () 與遷移率 () 的乘積]在CK (=70 723.00;=0.066)、Cr_6 h (=71 839.83;=0.132)、Cr_6 d(=70 951.83;=0.163) 階段逐漸變大,表明真菌群落受到的擴(kuò)散限制作用變小,分布變廣泛。

圖7 Cr脅迫時間序列上的中性真菌群落模型（a: CK; b: Cr_6 h,Cr脅迫后6 h; c: Cr_6 d,Cr脅迫后6 d; d: 整體水平）Fig.7 Neutral community model in the Cr stress time series (a: CK; b: Cr_6 h,Cr stress for 6 hours; c: Cr_6 d,chromium stress f or 6 days; d: overall level)

2.3 Cr脅迫時間序列上真菌群落功能

利用FUNGuild功能預(yù)測,分類鑒定真菌群落的營養(yǎng)類型 (表2),并進(jìn)行單因素方差分析篩選出真菌群落在Cr脅迫時間序列上的營養(yǎng)類型(豐度前14)。大致分3種: 腐生營養(yǎng)型、病原-腐生營養(yǎng)型、病原營養(yǎng)型。結(jié)果表明,未定義的營養(yǎng)類型 (unknown) 豐度居首位 (20.77%); 腐生營養(yǎng)型 (0.88%～18.78%) 與病原-腐生營養(yǎng)型(1.10%～14.37%) 居多,同時含有病原營養(yǎng)型 (1.24%～9.67%) 也較多。部分動物病原營養(yǎng)型、植物病原營養(yǎng)型以及未定義的腐生營養(yǎng)型在Cr_6 h、Cr_6 d中顯著下降(＜0.05),而部分植物病原營養(yǎng)型在CK到Cr_6 h呈顯著上升趨勢(＜0.05)。

表2 Cr處理時間序列上真菌功能豐度Table 2 Abundance of fungal functional diversity in the Cr stress time series

3 討論

3.1 土壤真菌群落組成結(jié)構(gòu)對Cr脅迫時間序列的響應(yīng)

本研究發(fā)現(xiàn)Cr脅迫時間序列上,土壤中真菌群落的組成結(jié)構(gòu)差異顯著,且不同群落生長策略與營養(yǎng)攝取能力有所不同。1)門水平中,子囊菌門豐度最高,其次是擔(dān)子菌門,這是健康土壤特性的指標(biāo)。原因可能在于子囊菌門能產(chǎn)生降解酶以高效利用底物,從而最大程度地將資源轉(zhuǎn)化為自身生物量。而擔(dān)子菌門豐度先降后升,分別在Cr_6 h、Cr_6 d階段呈現(xiàn)出由應(yīng)激到穩(wěn)定的動態(tài)變化過程。擔(dān)子菌門中許多菌種與重金屬有良好的結(jié)合能力,如Basidiomycete BDT-14具有很高的除Cr潛力,對極端環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)。2) 屬水平中,子囊菌門的曲霉屬 () 豐度隨Cr脅迫時間增長而顯著下降,而青霉屬 () 豐度呈現(xiàn)顯著性的由應(yīng)激到穩(wěn)定的動態(tài)變化過程。曲霉屬與青霉屬廣泛存在于土壤中,有研究表明二者具有抗Cr性,可將Cr (Ⅵ)降低到Cr (Ⅲ),且對Cr具有極大的生物吸附潛力。但豐度下降表征Cr脅迫對真菌群落產(chǎn)生了較大的毒害作用。被孢霉屬()、赤霉菌屬等對Cr較為敏感,在Cr_6 h階段豐度下降極顯著。鐮刀菌屬呈現(xiàn)出與擔(dān)子菌門一致的,由應(yīng)激到穩(wěn)定的動態(tài)變化過程,可能是由于其病理型營養(yǎng)方式通過破壞植物根系細(xì)胞,獲取生長所需營養(yǎng)物質(zhì),且對較低濃度的Cr有一定抗性。但同時有研究表明某種耐受重金屬的內(nèi)生鐮刀菌可促進(jìn)植物積累重金屬,因此其在Cr_6 d階段豐度升高可能對重金屬Cr污染的土壤起到一定修復(fù)作用。毛殼菌屬作為生物防治菌,可抑制黃瓜菌核病等蔬菜類疾病,其豐度變化可能由于Cr脅迫及土壤生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性不利于其生長。

由此可見,Cr脅迫可能改變了土壤真菌群落中耐性菌與敏感菌的比例,進(jìn)而影響土壤中真菌群落的組成結(jié)構(gòu); Cr脅迫處理6 h、6 d與對照的真菌群落存在顯著差異,且本研究中Cr脅迫可能會招募土壤中的致病菌如鐮刀菌等使土壤中部分病原菌豐度升高,土壤中可能存在病原菌污染。研究結(jié)果進(jìn)一步表明,Cr脅迫時間序列上土壤中真菌群落的多樣性指數(shù)在CK階段最高,在Cr_6 d階段顯著下降,與部分真菌屬豐度變化趨勢相一致。表明短期的重金屬污染降低了土壤微生物群落的豐度與多樣性,與Hu等結(jié)果相類似?？赡芤?yàn)橥寥朗苤亟饘傥廴緯r,會對土壤中真菌群落產(chǎn)生一定的生理生化毒性,而微生物群落的變化是較為直觀的表現(xiàn)形式,因此對Cr抗性較低的真菌群落在脅迫條件下很難存活,豐度呈下降趨勢,而土壤真菌群落多樣性的減少可能會影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能。此外,重金屬對微生物群落的毒性除了與重金屬本身的特性相關(guān),還可能與土壤類型和理化性質(zhì),如土壤顆粒、濕度、pH、有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)。

3.2 土壤真菌群落構(gòu)建過程對Cr脅迫時間序列的響應(yīng)

研究表明,土壤微生物群落的構(gòu)建由確定過程與隨機(jī)過程的權(quán)衡作用驅(qū)動,確定過程涉及非隨機(jī)和基于生態(tài)位的機(jī)制,一般包括環(huán)境過濾和種間關(guān)系; 而隨機(jī)過程主要表征物種相對豐度的隨機(jī)變化,一般包括漂變、擴(kuò)散、遷移和種化作用,但兩者的相對貢獻(xiàn)可能因環(huán)境不同而有所差異。微生物的生物地理學(xué)觀點(diǎn)認(rèn)為微生物具有顯著的擴(kuò)散能力與環(huán)境適應(yīng)性,但某些微生物群落存在擴(kuò)散限制。因此本研究進(jìn)一步探討了農(nóng)田土壤中真菌群落的組裝機(jī)制,以獲得對微生物生態(tài)學(xué)先進(jìn)機(jī)制的理解。揭示Cr脅迫時間序列上土壤真菌群落的組裝過程,有助于了解重金屬污染生境中真菌多樣性的產(chǎn)生與維持機(jī)制,對揭示群落組成和功能的差異具有重要意義。本研究發(fā)現(xiàn),Cr脅迫時間序列上,NTI指數(shù)顯著先降后升,即呈現(xiàn)出由應(yīng)激到穩(wěn)定的狀態(tài); 且群落遷移率() 在時間序列上不斷增長。隨機(jī)過程在群落構(gòu)建中占主導(dǎo)地位,土壤中真菌群落受到的擴(kuò)散限制逐漸降低,分布愈加廣泛,可能原因如下:

一方面,群落構(gòu)建過程中的隨機(jī)過程相較于確定過程可產(chǎn)生更多樣的生態(tài)功能,對驅(qū)動農(nóng)業(yè)土壤中真菌群落的組裝具有較強(qiáng)的效應(yīng)。隨機(jī)過程對可持續(xù)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中功能產(chǎn)生正向反饋機(jī)制,緩解Cr脅迫引起的生態(tài)擾動,進(jìn)而維持農(nóng)田土壤中生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Chen等研究表明,高豐度種群易分散在不同樣地而具較高的分布性,而稀有種群由于生態(tài)遷移在不同樣地中易丟失。土壤真菌群落分布性的增長預(yù)示真菌群落中的高豐度物種隨Cr脅迫時間而廣泛分布,以維持土壤生態(tài)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與交互性。因此Cr_6 d階段的共生網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出較CK、Cr_6 h階段更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征。土壤中生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性與微生物密切相關(guān),真菌群落在時間序列上呈現(xiàn)出由應(yīng)激到穩(wěn)定的特征,表明Cr脅迫造成較小程度的生態(tài)擾動,隨機(jī)過程占主導(dǎo)地位從側(cè)面表征了本研究中環(huán)境變異較小?？赡苁峭寥乐姓婢郝浯嬖谳^高程度的功能冗余,包含有互補(bǔ)型分類單元,其功能互補(bǔ)效應(yīng)在維持土壤結(jié)構(gòu)與功能穩(wěn)定中發(fā)揮重要作用。真菌群落還可利用植物根系分泌物,如類黃酮、氨基酸等抵抗Cr的入侵,并可通過改變Cr的價態(tài)、生物吸附、促進(jìn)甲基化等機(jī)制減少Cr對作物的傷害作用。如鐮刀菌屬中尖孢鐮刀菌()對Cr的生物吸附作用良好,可通過真菌寄生或獨(dú)立新陳代謝兩種方式吸附重金屬; 植物也可與微生物聯(lián)合修復(fù)重金屬污染,如放線菌與植物聯(lián)合修復(fù)Cr污染土壤。

另一方面,確定過程同樣驅(qū)動群落的構(gòu)建。微生物生態(tài)網(wǎng)絡(luò)屬性可表征微生物群落對逆境的反應(yīng),及相關(guān)生態(tài)位功能間的關(guān)系。在許多生態(tài)系統(tǒng)中不同物種之間的相互作用對群落的生態(tài)分布格局與群落功能至關(guān)重要。本研究中共生網(wǎng)絡(luò)圖表明真菌群落的不同屬之間存在顯著的相互作用,且不同真菌間絕大多數(shù)為正相關(guān),節(jié)點(diǎn)數(shù)量穩(wěn)定。表明Cr脅迫的不同真菌類群之間主要表現(xiàn)為互利的相互作用從而提高各自的抵抗力。共生網(wǎng)絡(luò)中直接與間接相互作用對生態(tài)系統(tǒng)起著重要調(diào)控作用,它們對生態(tài)擾動做出同步反應(yīng),并產(chǎn)生了積極的反饋和共同振蕩。Cr_6 d階段的共生網(wǎng)絡(luò)規(guī)模更大、相互作用更復(fù)雜,部分原因可能是Cr脅迫后期,土壤真菌群落呈穩(wěn)定狀態(tài),提高了物種活性以及種間相互作用,而復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)有利于提升群落的穩(wěn)定性,進(jìn)而提高資源轉(zhuǎn)移的效率; 平均路徑長度大可減緩真菌群落對Cr脅迫的響應(yīng)速度,有利于土壤真菌群落有效利用土壤養(yǎng)分,且連通度較高的網(wǎng)絡(luò)會產(chǎn)生更強(qiáng)的抵抗性以應(yīng)對環(huán)境擾動。本研究中低多樣性的真菌群落的隨機(jī)過程在裝配過程中占主導(dǎo)地位。而與這一現(xiàn)象相反的是,之前有研究表明,在對照培養(yǎng)試驗(yàn)中的土壤低多樣性細(xì)菌群落的確定性過程占主導(dǎo)地位。這種差異可能源于真菌與細(xì)菌的體型差異,而體型這種屬性與物種的生長速率、群落組裝、擴(kuò)散能力密切相關(guān)。

3.3 群落功能對Cr脅迫時間序列的響應(yīng)

FUNGuild功能預(yù)測表明土壤真菌群落以腐生、病理營養(yǎng)型為主。以腐生營養(yǎng)型為主可能與優(yōu)勢菌門子囊菌相關(guān),子囊菌門中多腐生菌,在土壤中可作為分解者分解難降解的有機(jī)物從而促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)。病原營養(yǎng)型次之,鐮刀菌屬、赤霉菌屬等病原真菌主要從宿主獲取營養(yǎng),可能對作物產(chǎn)生病害?？煽紤]通過調(diào)控根際微生物群落來抑制病原菌的繁殖。利用抗逆菌等根際微生物制成微生物菌肥或者菌劑以保證‘晉谷21號’良好生長發(fā)育,有助于維持土壤的生態(tài)平衡和友好環(huán)境,對發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)具有重要的戰(zhàn)略意義。

4 結(jié)論

1) Cr脅迫時間序列上,土壤真菌群落組成結(jié)構(gòu)顯著改變,不同處理組間群落組成差異顯著; 脅迫可能影響抗逆菌與敏感菌等不同菌種的豐度,增強(qiáng)了土壤真菌群落對Cr脅迫的適應(yīng)性; 菌群豐富度顯著下降。2) 土壤真菌群落的構(gòu)建由隨機(jī)過程主導(dǎo),隨Cr脅迫時間增長群落所受擴(kuò)散限制減小,分布更廣泛; 種間關(guān)系以共生為主,提升了群落穩(wěn)定性以應(yīng)對生態(tài)擾動。3) 土壤中真菌群落多病理營養(yǎng)型、腐生營養(yǎng)型,病原菌含量較高預(yù)示了土壤可能同時存在病原菌污染。

通過研究深入了解Cr脅迫下種植過‘晉谷21號’谷子的土壤中真菌群落在時間序列上的動態(tài)變化機(jī)制,揭示‘晉谷21號’根際土壤真菌的群落構(gòu)建、互作網(wǎng)絡(luò)與生態(tài)功能,是利用植物微生物組促進(jìn)‘晉谷21號’作物健康和推進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)與前提。