雅魯藏布江下游沿岸濕地建群種植物根際土壤細菌群落結構和多樣性特征

陳海生,劉守平,楊萬勤,梁國錢

1 浙江同濟科技職業(yè)學院,杭州 311231

2 浙江省臺州市農(nóng)業(yè)科學研究院,臨海 317000

3 臺州學院生命科學學院,椒江 318000

高寒生態(tài)系統(tǒng)是在高寒環(huán)境下的土壤、植物群落、微生物群落及其水熱變化過程等,以及在該環(huán)境下形成的協(xié)同發(fā)展的生態(tài)系統(tǒng)[1]。高寒生態(tài)系統(tǒng)主要分布在高緯度或高海拔、氣候寒冷、凍土分布廣泛的地區(qū)。微生物是生物地球化學循環(huán)的主要驅動者,微生物群落的組成及其變化影響著生態(tài)系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定性。高寒生態(tài)系統(tǒng)是全球氣候變化的敏感區(qū)域,其微生物群落結構和多樣性在很大程度上影響著生態(tài)系統(tǒng)的轉化方向[2—3]。目前,關于高寒地帶的微生物群落結構及多樣性的研究已成為國內外生態(tài)學上研究的熱點[4—10]。Wilhelm 等[11]曾研究了加拿大高北極地融冰層和凍土層土壤細菌群落結構,發(fā)現(xiàn)融冰層中細菌群落以酸桿菌門的相對豐度為最高,其值為30%,凍土層中細菌群落以放線菌門的相對豐度為最高,其值為 28%?？祵毺斓萚12]采用 Illumina Miseq 高通量測序方法,比較了祁連山東緣高寒草甸和河西走廊荒漠平原土壤細菌多樣性和群落組成,發(fā)現(xiàn)高寒草甸和荒漠平原土壤細菌多樣性和群落組成差異明顯,土壤總碳、總氮、pH、有機酸、含水量、容重等是影響兩種草地類型土壤細菌菌群分布的重要因素。李海云等[13]研究了東祁連山不同退化程度高寒草地土壤細菌群落分布與環(huán)境因子間的相互關系,發(fā)現(xiàn)放線菌門、變形菌門和厚壁菌門是不同退化程度草地土壤中的優(yōu)勢菌門,它們的相對豐度與土壤 pH、電導率、速效氮、速效鉀呈顯著相關(P<0.05)。

青藏高原是全球海拔最高、面積最大和獨特的高原高寒生態(tài)系統(tǒng),儲存著大量的有機質,在全球碳平衡、全球氣候變化中起著重要的作用[14]。該地許多方面具有“極地”的屬性,其氣候特點是高寒、缺氧、日照時間長、輻射強、降水少,這些氣候因子相互作用形成了青藏高原獨特的土壤微生物資源。Yuan 等[15]研究了青藏高原念青唐古拉山南坡海拔 4400—5200 m 的高寒草地土壤細菌群落結構特征,發(fā)現(xiàn)細菌酸桿菌門和變形菌門是該地域的主要菌門,降水量是影響不同海拔高度土壤細菌分布的最主要環(huán)境因素。Cui 等[3]采用高通量測序技術研究了青藏高原東部邊緣的貢嘎山冷杉林根際土壤與非根際土壤細菌群落結構和 Alpha 多樣性沿海拔高度的變化情況,發(fā)現(xiàn)隨著海拔高度的變化,土壤細菌群落結構和 Alpha 多樣性也發(fā)生了顯著變化,但冷杉根際與非根際間土壤細菌群落結構和 Alpha 多樣性差異并不顯著,土壤總磷、有機碳、NH4-N 含量是決定土壤細菌群落結構和Alpha 多樣性的主要因子。曾見有關于雅魯藏布江支流尼洋河沉積物中細菌群落結構的報道[16],認為尼洋河水體中總氮、總磷、溶解氧、鉻、鍶、鋇和錳是尼洋河沉積物中細菌群落結構的主要影響因子。但關于雅魯藏布江下游沿岸建群種植物根際土壤細菌群落結構和多樣性的研究還未見報道。

土壤微生物的群落結構和組成影響土壤的生物活性[17—18]。土壤微生物物種多樣性較高的土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性也較高,在不良環(huán)境脅迫條件下,其逆境適應性和生態(tài)系統(tǒng)恢復能力也強[19—21]。高寒濕地中自然分布著一些對當?shù)刈匀粴夂蚝屯寥拉h(huán)境有著強適應能力的野生鄉(xiāng)土植物。這些植物在生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性保護和生態(tài)系統(tǒng)恢復方面起著重要作用。但是,植物種類的不同,或同一植物生長發(fā)育階段的不同,其根系所分泌的次生代謝產(chǎn)物也不同,對土壤微生物群落產(chǎn)生了選擇性效應,因此,不同植物根際土壤微生物群落結構和多樣性存在差異,從而導致高寒濕地脆弱生態(tài)系統(tǒng)逆境適應能力與恢復能力產(chǎn)生差異[22—23]。雅魯藏布江是西藏最大的河流,是西藏重要淡水來源和水氣通道,也是全球海拔最高的河流之一[24—25],屬于典型的高寒生態(tài)系統(tǒng)。本研究擬在雅魯藏布江大峽谷沿岸選取艾草ArtemisiaargyiH. Lév. & Vaniot、白刺花Sophoradavidii(Franch)、黃刺玫RosaxanthinaLindl、八寶Hylotelephiumerythrostictum(Miq.)H. Ohba 4 種高寒生境中典型植物作為研究對象,采用 Miseq 2500 高通量測序方法[26—27],探索雅魯藏布江大峽谷沿岸不同植被根際土壤細菌群落結構和多樣性的差異及其變化規(guī)律,為實現(xiàn)青藏高原高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)植被恢復和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青藏高原的東南部,即西藏自治區(qū)林芝市境內的米林縣直白村,北緯 29°33′55″、東經(jīng) 94°54′0″,海拔 3090 m,氣壓 71 kPa,系念青唐古拉山向南延伸的余脈,與喜馬拉雅山東部向北發(fā)展的山系相連,以居南迦巴瓦峰腳下和處于雅魯藏布江大峽谷咽喉而聞名。研究區(qū)處于藏東南溫暖氣候區(qū)與半濕潤氣候區(qū)的過渡地帶,受印度洋暖濕季風影響,冬春干燥,夏秋多雨。年降水量 600—1000 mm,年平均氣溫 8—10℃,≥0℃積溫為 3000—3500℃,≥10℃的時間約 180 d[28]。土壤為新積土和風沙土,成土時間短,質地粗,結構和保水保肥能力差,土壤瘠薄。山南寬谷植被基本上屬于山地灌叢草原同一植被型[29]。

1.2 樣品采集

選取雅魯藏布江下游林芝地區(qū)沿江岸 4 種典型建群種植物根際土壤為研究對象,即菊科蒿屬艾草、豆科槐屬白刺花、景天科八寶屬八寶、薔薇科薔薇屬黃刺玫。以 HE 代表八寶根際土壤,AR 代表艾草根際土壤,SD 代表黃刺玫根際土壤,RN 代表白刺花根際土壤。于 2019年 5 月在樣點采集土壤樣品。每種植物設置 3 個 10 m × 10 m 的標準地,每標準地選取 10 株代表性植株,在植株周圍東、南、西、北設 4 個取樣點,在土壤表層 0—20 cm 處采集直徑少于 0.1 cm 的各植株細根,用抖落法[30]收集粘附在細根上的土壤作為植物根際土壤樣品,取樣過程中去除凋落物等雜質,將每個樣地的各土壤樣品混合均勻,用直徑 2 mm 的網(wǎng)篩進行過篩。取 20 g 土樣裝入無菌聚乙烯封口袋中,放入冰盒中低溫保存帶回實驗室。在實驗室將樣品分成二份,一份取 10 g 置于 4℃ 冰箱中,用于測定土壤的理化性質；另一份取 10 g 用干冰進行 -70℃ 低溫保存,用于高通量測序。

1.3 植物根際土壤的理化性質測定

將采集后的土壤樣品風干,并過 0.25 mm 的網(wǎng)篩,然后進行土壤理化性質的測定。土壤總氮(TN)含量測定采用凱氏定氮法,土壤有效磷(AP)含量測定采用 NaHCO3—鉬銻抗比色法,土壤速效鉀(AK)含量測定采用 NH4OAc 浸提—火焰光度法,土壤有機質含量(SOM)含量測定采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法,用環(huán)刀法測定土壤含水量[30],土壤 pH 值測定采用 1∶2.5 土水比、酸度計法[32]。

1.4 土壤細菌基因組 DNA 提取

準確稱取 0.1 g 土樣,采用 E.Z.N.A.Soil DNA Kit 試劑盒(D5625,Omega,Inc.,USA),提取土樣的總 DNA。經(jīng) 1% 瓊脂糖凝膠電泳檢測 DNA 提取質量,同時采用紫外分光光度計 Nano Drop ND- 1000 (Nano Drop,Wilmington,DE,USA)對 DNA 進行定量測定。各樣品的 5 份 DNA 樣品隨機取 3 份等量混均,分別制成 3 個平行樣品,于 -20℃ 保存、備用。

1.5 PCR 擴增及高通量測序

參考 Caporaso 等[33]的方法,通過細菌 16S rDNA V3-V4 區(qū)段引物來擴增各樣品,使用上下引物分別為 341F (5′-CCTACGGGNGGCWGCAG- 3′)和805R (5′-GACTACHVGGGTATCTAATCC- 3′),對 16S rDNA 基因的(V3-V4)進行 PCR 擴增。DNA 擴增的反應條件:為 35 個循環(huán)(98℃,30S；98℃,10S；54℃,30S；72℃,45S),72℃ 延伸擴增 10 min。PCR 產(chǎn)物經(jīng) 2% 瓊脂糖凝膠電泳確證。在整個 DNA 提取過程中,使用的是超純水,而不是樣品溶液,以排除假陽性 PCR 結果作為陰性對照的可能性。PCR 產(chǎn)物經(jīng) AMPure XT beads (Beckman Coulter Genomics,Danvers,MA,USA)純化,經(jīng) Qubit(Invitrogen,USA)定量。擴增子池用于測序,擴增子文庫的大小和數(shù)量分別在 Agilent 2100 生物分析儀(Agilent,美國)和 Illumina (Kapa Biosciences,Woburn,MA,美國)的文庫定量試劑盒上進行評估。在 NovaSeq PE 250 平臺上對庫進行排序。

1.6 生信分析流程

各樣品在 Illumina NovaSeq 平臺上按照制造商的建議進行測序,由 LC-Bio 提供。根據(jù)樣品獨特的條形碼,將配對端序列分配給樣品,并將建庫引入的 barcode 和引物序列去除。使用 FLASH 合并匹配端讀取。根據(jù) fqtrim(v0.94),在特定的過濾條件下對原始讀數(shù)據(jù)進行質量過濾,以獲得高質量的 clean 標簽。使用 Vsearch 軟件對嵌合序列進行過濾(v2.3.4)。利用 DADA2 進行解調,得到特征表和特征序列。Alpha 多樣性通過歸一化到相同的隨機序列來計算。然后根據(jù) SILVA(release 132)分類器,利用每個樣本的相對豐度對特征豐度進行歸一化。Alpha 多樣性用于分析樣本物種多樣性的復雜性,通過 5 個指標,包括Chao1、Observed species、Goods coverage、Shannon、Simpson,各樣本中所有這些指標均采用 QIIME2 計算。采用 Blast 進行序列比對,每個代表性序列用 SILVA 數(shù)據(jù)庫對特征序列進行注釋。其它圖片均是使用 R 包(v3.2.5)實現(xiàn)。

2 結果與分析

2.1 4 種江岸植物根際土壤細菌Alpha 多樣性分析

經(jīng) Miseq 測序所得樣品數(shù)據(jù)經(jīng)質控后,獲得了不同分類水平上相應有效序列,不同植物根際土壤細菌有效序列數(shù)量以黃刺玫為最高,為 50224 條,其次是艾草,有效序列數(shù)是 50029 條,以白刺花為最低,只有 40031 條。經(jīng)質控和去除嵌合體后,以相似性在 97% 以上的有效序列視為一個 OTUs,從而得到各植物根際土壤樣品中關于 OTUs 的豐度信息。如表 1 所示,從 4 種土壤樣品中共分析出 4563—6695 個 OTUs,其中以艾草的 OTUs 數(shù)目最高(6695 個),其次是黃刺玫(6458 個),以白刺花的 OTUs 數(shù)目為最低(4563 個)。

表1 4 種江岸植物根際土壤樣品基因組DNA 測序數(shù)據(jù)及Alpha 多樣性

從4種植物根際土壤樣品中一共分析出 13238 個 OTUs 數(shù)目,其中 4 種植物根際土壤共有 OTUs 數(shù)為 661 個,占 OTUs 總數(shù)的 4.99%,如圖 1。艾草根際土壤細菌特有 OTUs 數(shù)為 1646 個,占 OTUs 總數(shù)的 12.43%；八寶根際土壤細菌特有 OTUs 數(shù)為 1352 個,占 OTUs 總數(shù)的 10.21%；白刺花根際土壤細菌特有 OTUs 數(shù)為 1542 個,占 OTUs 總數(shù)的 11.65%；黃刺玫根際土壤細菌特有 OTUs 數(shù)為 1858 個,占 OTUs 總數(shù)的 14.04%。

圖1 基于操作分類單元豐度的4種植物根際土壤細菌群落維恩圖

對稀釋曲線分析可以反映樣品的取樣深度,能夠評價測序量是否能覆蓋所有類群。從圖2 可以看出,4 種樣品稀釋曲線均趨于平緩,文庫的覆蓋率均已超過 93%,說明取樣基本合理,樣本的 OTU 覆蓋度已經(jīng)飽和,本次測序深度可以反映雅魯藏布江下游林芝地區(qū)沿江岸植被根際土壤細菌群落的真實情況。

圖2 4 種植物根際土壤樣品細菌群落的稀釋曲線

表 1 還表明,不同植物其根際土壤細菌物種豐富度指數(shù)(Chao1 指數(shù))和多樣性指數(shù)(Shannon 指數(shù))也明顯不同。四種植物中,黃刺玫和八寶根際土壤樣品細菌 Shannon 指數(shù)分別是 10.801 和 10.726,顯著高于艾草和白刺花的 10.221 和 10.052(P<0.05)。而黃刺玫和八寶根際土壤樣品之間,以及艾草和白刺花根際土壤樣品之間其值差異并不顯著(P>0.05)。四種植物中,黃刺玫和艾草根際土壤細菌 Chao1 指數(shù)均較高,其值分別為 7691.801 和 8000.021,顯著高于其它兩種植物(P<0.05)。而白刺花根際土壤細菌 Chao1 指數(shù)最低,其值為 5113.664,顯著低于其它三種植物(P<0.05)。

2.2 4 種江岸植物根際土壤細菌的群落結構組成

通過對測序結果的物種注釋,從 4 種植物根際土壤樣品中共獲得 28 門、84 綱、156目、262 科、599 屬、1192 種土壤細菌。變形菌門(Proteobacteria,31.79%—49.02%)、酸桿菌門(Acidobacteria,16.52%—27.33%)及放線菌門(Actinobacteria,9.12%—24.96%)是雅魯藏布江江岸植物根際土壤中的優(yōu)勢菌群,相對豐度較高。其次高為擬桿菌門(Bacteroidetes,4.53%—11.30%)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes,4.61%—10.53%)、疣微菌門(Verrucomicrobia,1.58%—5.35%)。在該區(qū)域發(fā)現(xiàn)未分類的細菌門的相對豐度為2.27%—3.27%。

在該區(qū)域植物根際土壤中相對豐度較低的細菌門有單糖菌門(Saccharibacteria,0.67%—1.46%)、綠灣菌門(Chloroflexia,0.65%—1.21%)、浮霉狀菌門(Planctornyces,2.06%—0.87%)、硝化螺旋菌門(Nitrospira,0.18%—0.72%)、厚壁菌門(Firmicutes,0.24%—0.84%)、裝甲菌門(Armatimonadetes,0.08%—0.27%)。

不同土壤樣品中細菌群落相對豐度不同,說明各土壤樣品間的細菌群落結構存在著差異。從分析結果來看,各植物根際土壤樣品中變形菌門細菌的相對豐度最多的是艾草(49.02%),其次是黃刺玫(44.08%),相對豐度最低的是白刺花(31.79%)。在各植物根際土壤樣品中細菌酸桿菌門相對豐度最高的是八寶(27.33%),其次是黃刺玫(18.53%),相對豐度最低的為艾草(16.52%)。在各植物根際土壤樣品中細菌放線菌門相對豐度最高的為白刺花(24.96%),其次是八寶(11.70%),相對豐度最低的是艾草(9.12%)。

微生物結構熱圖可以反映不同樣品間物種的組成和差異(圖 4)。由圖 4 可以看出,在門水平上,4 種植物根際土壤樣品中細菌的群落結構組成表現(xiàn)為黃刺玫和艾草相似,而八寶和另外三種植物相差較大。

從綱水平上來看(圖 5),在 4 種植物根際土壤樣品中 α-變形菌綱(Alphaproteobacteria,21.44%—37.77%)均為優(yōu)勢類群,其中艾草根際土壤樣品 α-變形菌綱相對豐度最高(37.77%),其次是黃刺玫根際土壤樣品,其 α-變形菌綱相對豐度值為 26.23%,而以八寶和白刺花根際土壤樣品細菌 α-變形菌綱的相對豐度較低,其值分別為 21.85% 和 21.44%。在 4 種植物根際土壤樣品中放線菌綱(Actinobacteria)的相對豐度略少于 α-變形菌綱(8.29%—23.50%),其相對豐度值依次是白刺花>八寶>黃刺玫>艾草。其它菌綱的相對豐度從高到低依次為酸桿菌綱 Acidobacteria(5.59%—6.91%)、芽單胞菌綱 Gemmatimonadetes(4.60%—10.02%)、鞘脂桿菌綱 Sphingobacteria(3.68%—9.91%)。此外,還發(fā)現(xiàn)未分類的細菌綱(2.26%—3.27%)。

圖3 門水平 4 種植物根際土壤樣品中細菌群落結構

圖4 門水平上4種植物根際土壤細菌群落結構聚類熱圖

圖5 在綱水平上4種植物根際土壤細菌群落結構

2.3 土壤理化性狀對根際土壤細菌多樣性指數(shù)及群落結構的影響

在一個自然生態(tài)系統(tǒng)中,土壤理化性狀決定著其地表植物的種類和分布[34],相應地也決定著其植物根際土壤微生物多樣性與群落結構。通過對雅魯藏布江下游江岸建群種植物根際土壤細菌 Shannon 和土壤理化性狀的相關性分析(表2),發(fā)現(xiàn)土壤總氮、速效鉀、有機質和土壤含水量與土壤細菌 Shannon 的相關性均達極顯著水平(P<0.01)。土壤 pH 與土壤細菌 Shannon的相關性達顯著水平(P<0.05)。通過對建群種植物根際土壤細菌 Chao1 和土壤理化性狀的相關性分析,發(fā)現(xiàn)土壤總氮、速效鉀、有機質和土壤細菌 Chao1 間的相關性均達顯著水平(P<0.05)。

通過對雅魯藏布江下游江岸建群種植物根際土壤細菌群落結構與土壤理化性狀的相關性分析(表 2),發(fā)現(xiàn)土壤 pH、總氮和有機質含量對建群種植物根際土壤主要優(yōu)勢細菌的影響較大,各土壤理化性狀對各建群植物根際土壤細菌優(yōu)勢門的影響順序為 TN﹥pH﹥O·M。土壤中 TN 含量與土壤細菌酸桿菌門、芽單胞菌門、疣微菌門的相對豐度呈極顯著正相關(P<0.01),與土壤細菌放線菌門、擬桿菌門的相對豐度呈極顯著負相關(P<0.01)。土壤 pH 與土壤細菌酸桿菌門、疣微菌門的相對豐度呈極顯著負相關(P<0.01),與芽單胞菌門的相對豐度呈顯著負相關(P<0.01),與變形菌門和放線菌門的相對豐度呈極顯著正相關(P<0.01)。土壤有機質含量與土壤細菌變形菌門、放線菌門、擬桿菌門的相對豐度呈顯著負相關(P<0.05),與酸桿菌門、芽單胞菌門和疣微菌門的相對豐度呈顯著正相關(P<0.05)。土壤含水量與放線菌門的相對豐度呈顯著正相關(P<0.05),與疣微菌門的相對豐度呈極顯著負相關(P<0.05)。

表2 雅魯藏布江下游江岸建群種植物根際土壤細菌門水平群落結構與土壤理化性狀相關性

3 討論

3.1 雅魯藏布江下游江岸植被根際土壤細菌的優(yōu)勢菌門

青藏高原是我國高原濕地的最重要分布區(qū),是全球海拔最高的一個高寒生態(tài)系統(tǒng),獨特的地理環(huán)境使它成為了全球氣候變化的預警區(qū)和敏感區(qū),其境內濕地是我國長江、黃河和瀾滄江等的發(fā)源地,具有重要的水源涵養(yǎng)、水土保持和氣候調節(jié)等生態(tài)功能。土壤微生物在維持生態(tài)系統(tǒng)植被多樣性和促進生態(tài)平衡中產(chǎn)生著重要作用,土壤微生物各組成部分的相對豐度是定量詮釋生態(tài)系統(tǒng)的基礎[12]。研究雅魯藏布江流域植物根際土壤細菌群落結構和多樣性,對恢復和保護我國重要的生態(tài)屏障青藏高原具有意義。本研究結果表明,變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)是雅魯藏布江江岸濕地建群種植物根際土壤的優(yōu)勢菌門。這與高秀宏等[35]在呼和浩特市大青山白樺根際土壤上測定的結果,以及劉興等[36]在研究貴州喀斯特高原地區(qū)土壤細菌群落結構特征所得出的結果是一致的。生態(tài)系統(tǒng)不同、氣候條件不同、土壤類型和植物種類不同,均可使植物根際土壤細菌群落組成表現(xiàn)不同,既存在相似的細菌群落組成,也存在各自優(yōu)勢類群[37—41]。如 Chu 等[42]研究發(fā)現(xiàn),西藏高原西部表層土壤細菌群落的優(yōu)勢類群是放線菌門、變形菌門、酸桿菌門、綠灣菌門及芽單胞菌門。Yuan 等[15]研究認為,酸桿菌門、變形菌門、芽單胞菌門是唐古拉山南面高山草原土壤細菌群落的優(yōu)勢類群。朱平等[43]在研究祁連山中部 4 種典型植被類型土壤細菌群落結構與多樣性時,發(fā)現(xiàn)放線菌門、酸桿菌門、變形菌門、厚壁菌門及芽單胞菌門是該區(qū)域的優(yōu)勢類群。Zhang 等[44]研究認為變形菌門、放線菌門、酸桿菌門、擬桿菌門是青藏高原北麓河流域草甸、草原和荒漠草原土壤細菌群落的優(yōu)勢類群。

3.2 雅魯藏布江下游江岸不同植被根際土壤細菌群落的變化特征

在雅魯藏布江江岸植物根際土壤中,變形菌門是最主要的細菌門類,且以 α-變形菌綱豐度最高,這與很多地區(qū)的研究結果相一致[35—36]。變形菌門細菌是土壤環(huán)境中的一大類細菌菌落,其中部分變形菌門細菌能夠利用有機物分解產(chǎn)生的氨氣、甲烷等營養(yǎng)物質進行生長代謝活動[45]。本研究發(fā)現(xiàn)雅魯藏布江江岸菊科植物艾草的根際土壤細菌變形菌門相對豐度最高,說明這4種植物中該植物根系分解利用枯枝落葉有機物的能力最強,其次是薔薇科植物黃刺玫根際土壤細菌變形菌門的相對豐度,而豆科植物白刺花根際土壤細菌變形菌門的相對豐度最低。

酸桿菌門細菌通常存在于貧瘠的土壤,在肥力低下的根際土壤細菌酸桿菌門豐度值較低[35]。本研究發(fā)現(xiàn)景天科植物八寶根際土壤細菌酸桿菌門的相對豐度較高,而豆科植物白刺花根際土壤細菌酸桿菌門的相對豐度最低,這是因為八寶植物通常生長在干旱、貧瘠的土壤上,而豆科植物白刺花根系上的根瘤菌能夠進行固氮作用而提高了其根際土壤肥力。另外二種植物即薔薇科植物黃刺玫和菊科植物艾草的根際土壤細菌酸桿菌門相對豐度值在白刺花和八寶根際土壤樣品之間。放線菌門細菌能夠分解動植物殘體中的纖維素和幾丁質,可以將它們轉變成植物容易吸收的營養(yǎng)物質[36]。在雅魯藏布江沿岸干旱、澇漬頻繁發(fā)生和強鹽堿性土壤條件下,放線菌門是居于第三位的優(yōu)勢菌群,其相對豐度以豆科植物白刺花根際土壤樣品為最高,以菊科植物艾草根際土壤樣品為最低,而黃刺玫和八寶的根際土壤樣品的相對豐度則介于這二者之間。

本研究還發(fā)現(xiàn)雅魯藏布江江岸 4 種植物根際土壤細菌共有的 OTUs 數(shù)占 OTUs 總數(shù)的比率只有 4.99%。而各植物根際土壤樣品特有的 OTUs 數(shù)占總 OTUs 數(shù)的比例則達到 10.21%—14.04%,這是因為雅魯藏布江江岸植物生長的土壤,大多是新積土和風沙土,成土時間短,質地粗,結構和保水保肥能力差。這些土壤在枯水季節(jié)暴露在水面之上,經(jīng)寒冰、日曬,以及因風力作用而發(fā)生搬遷[46]?？傊?由于雅魯藏布江江岸土壤的成土時間短,再加上風力的搬遷作用,就造成了各植被根際土壤細菌共有的 OTUs 比率較低,而各樣本特有的 OTUs 比率較高的現(xiàn)象。

3.3 雅魯藏布江江岸植被根際土壤芽單胞菌門和酸桿菌門細菌豐度較高

雅魯藏布江江岸植被根際土壤細菌的芽單胞菌門相對豐度較高,為 4.61%—10.13%,其中艾草根際土壤細菌中芽單胞菌門相對豐度達到 10.13%,這是因為芽單胞菌門與其它類群細菌相比更適應在土壤含水率比較低的土壤中生長,且該細菌很難在酸性土壤中被檢測得到。芽單胞菌門細菌具有耐鹽或嗜鹽的特性,適宜在鹽分比較高的土壤中生長和繁殖。祁連山中部山區(qū)植被根際土壤芽單胞菌門的平均相對豐度達到 6.12%[43],在黃河三角洲人工林根際土壤中相對豐度也只有 4.74%—5.67%[17],而黃河三角洲地區(qū)農(nóng)田土壤鹽堿化程度是我國較為嚴重的地區(qū)之一。雅魯藏布江地處青藏高原,江岸土壤電導率和含鹽量均高,因此,導致土壤中芽單胞菌門的相對豐度較高。艾草是典型的耐干旱耐鹽堿植物,在本研究中其根際土壤芽單胞菌門細菌相對豐度達到 10.13%,這與其它干旱高鹽分地區(qū)的研究結果相一致[17,43]。

酸桿菌門細菌具有豐富的編碼纖維素酶和半纖維素酶基因,在對植物殘體降解中起到重要作用。在寒冷的微氧或缺氧的高海拔地區(qū),當其它纖維素降解菌難以生存時,酸桿菌門細菌仍能對纖維素降解起重要作用[47]。另外,有研究認為酸桿菌門多存在于肥力低下、營養(yǎng)貧瘠的土壤中[47]。本研究區(qū) 4 種植物根際土壤細菌群落中酸桿菌門的相對豐度(6.52%—27.33%)較高,僅次于變形菌門。李海東等[24]研究表明,雅魯藏布江沿岸風沙土土壤堿性較強,土壤有機質和全氮含量很低。因此本文從土壤細菌酸桿菌門菌群相對豐度水平上也反映出雅魯藏布江大峽谷流域氣候干旱、土壤養(yǎng)分貧瘠的特點。

3.4 雅魯藏布江江岸植被根際土壤細菌群落與土壤理化性狀的關系

植物根際土壤理化因子在很大程度上影響著土壤細菌群落結構[48]。劉興等[36]采用 Illumina 高通量測序方法分析了貴州喀斯特不同植被演替群落下的土壤細菌群落結構及變化特征,認為影響貴州喀斯特高原土壤細菌的主要土壤理化性狀有土壤有機碳和土壤總氮。劉海燕等[49]采用 Illumina 高通量測序的方法對新疆塔里木河中下游流域棉田及胡楊林土壤細菌群落結構及多樣性特征進行了研究,結果表明,土壤全氮、鹽分、有機質和土壤 pH 是驅動細菌群落變異的主要因子。高秀宏等[35]采用高通量測序技術對呼和浩特市大青山天然次生林生態(tài)系統(tǒng)演變過程中先鋒樹種白樺的根際土壤細菌群落結構進行了研究,結果表明,土壤全氮、土壤 pH 和含水量是白樺根際土壤優(yōu)勢細菌的主要影響因子。朱平等[43]采用了 Illumina 高通量測序的方法研究了祁連山中部墊狀植被、高寒植被、沼澤草甸和高寒灌叢這 4 種典型植被群落表層土壤的細菌群落結構差異,認為土壤 pH、土壤含水量、土壤有機碳和總氮是影響土壤細菌群落結構的主要因子。本研究采用同樣的 Illumina 高通量測序方法分析了雅魯藏布江下游沿岸建群種植物根際土壤細菌群落結構及與土壤理化性質的關系,發(fā)現(xiàn)土壤 pH、土壤含水量、土壤有機質和總氮含量是影響建群種植物根際土壤優(yōu)勢細菌的主要因素。本研究結果與高秀宏等[35]和朱平等[43]的研究結果基本一致。

4 結論

高寒生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物多樣性對于維持整個生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)平衡起著重要作用。本文采用 Illumina 的方法對雅魯藏布江沿岸 4 種建群種植物根際土壤細菌群落結構及多樣性進行了研究,共獲得 28 門、84 綱、156 目、262 科及 599 屬細菌,發(fā)現(xiàn)變形菌門、酸桿菌門、放線菌門是雅魯藏布江江岸植物根際土壤的優(yōu)勢菌群。在細菌門水平上,4 種植物根際土壤細菌的群落結構組成表現(xiàn)為黃刺玫和艾草相似,而八寶和另外3種植物相差較大。不同植物其根際土壤細菌物種豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)也明顯不同。土壤細菌 OTUs 數(shù)和 Chao1 均以艾草根際土壤樣品為最高,而以白刺花根際土壤樣品為最低。細菌多樣性指數(shù)以黃刺玫根際土壤樣品為最高,而以白刺花根際土壤樣品為最低。雅魯藏布江江岸植被根際土壤細菌物種組成豐富,本文的4種典型植物根際土壤細菌在門水平和綱水平上結構相似,但部分細菌相對豐度差異明顯。各植物根際土壤細菌共有的 OTUs 比率較低,而各植物特有的 OTUs 比率則較高,反映了該區(qū)域土壤大多是新積土和風沙土,成土時間短的特點。高寒地區(qū)土壤大多缺氧、貧瘠、鹽堿性較強,造成了該區(qū)域植被根際土壤細菌酸桿菌門和芽單胞菌門群落相對豐度較高的現(xiàn)象。雅魯藏布江江岸 4 種建群種植物中,艾草根際土壤細菌變形菌門相對豐度最高,說明這 4 種植物中該植物根系分解利用枯枝落葉等有機物的能力最強。土壤 pH、土壤含水量、土壤有機質和總氮含量是影響建群種植物根際土壤優(yōu)勢細菌的主要因素,這為預測微生物對環(huán)境變化的響應提供了基礎。