內(nèi)蒙古大青山白樺根圍土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)研究

包潤澤 姚慶智

摘 ?要：根際土壤細(xì)菌在植物與土壤之間的物質(zhì)與能量交換中起到十分關(guān)鍵的作用。本研究以大青山白樺根際土為研究對象，利用高通量測序技術(shù)比較了其不同海拔高度及不同土層深度的根圍土壤細(xì)菌和群落結(jié)構(gòu)差異，并結(jié)合其土壤酶活性揭示根際細(xì)菌對植物生長過程中的作用。結(jié)果顯示，白樺根圍土壤上層的細(xì)菌多樣性隨海拔升高而增大;根圍土壤上層細(xì)菌多樣性大于下層。此外，放線菌門、酸桿菌門、變形菌門為根圍土壤的優(yōu)勢群落;土壤下層的放線菌門含量隨海拔升高而增加。

關(guān)鍵詞：內(nèi)蒙古大青山;細(xì)菌群落結(jié)構(gòu);高通量;酶活性;多樣性

中圖分類號：Q939.96 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

土壤微生物是森林生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，是物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在整個生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的作用[1]，同時土壤微生物群落結(jié)構(gòu)也是衡量土壤健康的重要指標(biāo)[2]，且根際微生物的群落結(jié)構(gòu)和豐度會直接影響植物的健康狀況。影響土壤微生物的因素有很多，主要研究包括土壤養(yǎng)分[3， 4]、人為施加農(nóng)藥[5， 6]、土壤理化[7]、植被類型[8]、土壤溫度[9]及其他因素等[10， 11]。微生物群落隨海拔的分布格局和維持機(jī)制已然成為生物多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能研究的熱點(diǎn)[12]。

土壤微生物多樣性在海拔梯度的分布格局研究近年來受到和動植物一樣的重視程度[13-16]。土壤微生物作為主要的分解者[17]，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在地球化學(xué)物質(zhì)循環(huán)和維持生態(tài)系統(tǒng)功能等方面發(fā)揮著極大的作用。微生物能夠快速響應(yīng)土壤、植被以及氣候等引起的環(huán)境變化，較早地指示生態(tài)系統(tǒng)功能的變化[18， 19]。隨著分子生物學(xué)技術(shù)在生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用，土壤微生物多樣性在不同尺度、不同生境的地理分布格局方面研究取得了重要進(jìn)展[20]。對土壤微生物多樣性海拔分布格局的最新研究綜述發(fā)現(xiàn)，土壤微生物海拔分布模式并不明確，表現(xiàn)為無趨勢、下降、單峰或者下凹型等多種海拔分布模式[21]。土壤微生物個體豐 富度及多樣性隨某種環(huán)境變量在空間上呈某種規(guī)律性分布，在空間分布上是非隨機(jī)的，微生物空間分布規(guī)律及維持機(jī)制研究還處于初步階段[22， 23]。Singh等[24]指出在日本富士山，土壤微生物多樣性在中等海拔高度最大。吳則焰等[25]對中亞熱帶森林土壤微生物群落多樣性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明隨著海拔上升，土壤微生物群落多樣性逐漸下降，其根本原因可能是海拔梯度上升引起土壤養(yǎng)分含量下降，從而間接影響土壤微生物群落多樣性。劉秉儒等（2013）對干旱區(qū)綠島賀蘭山的研究卻發(fā)現(xiàn)，隨海拔的升高土壤微生物 群落物種豐富度指數(shù)（H）和均勻度指數(shù)（E）總體上均表現(xiàn)出增大的趨勢。

內(nèi)蒙古大青山林區(qū)是陰山山脈中段面積最大、保存最好的次生林區(qū)，是生物多樣性保護(hù)的關(guān)鍵地區(qū)，是研究森林土壤微生物多樣性的理想場所。本研究以大青山中白樺（Betula platyplrylla）根際土為研究對象，利用高通量測序技術(shù)研究比較了其不同海拔高度及不同土層深度的根圍土壤細(xì)菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)差異，并結(jié)合其土壤酶活性揭示根際細(xì)菌對植物生長過程中的作用。以期發(fā)現(xiàn)不同海拔梯度下白樺根際土壤微生物群落的變化規(guī)律，這對于進(jìn)一步了解森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及后續(xù)的森林植被保護(hù)具有重要意義。

1 ?材料與方法

1.1 ?樣品采集與處理

本試驗采樣地位于呼和浩特市北部大青山自然保護(hù)區(qū)境內(nèi)的金鑾殿景區(qū)，于2016年5月采集，對同一坡面不同海拔高度以及不同土層深度的白樺根圍土壤進(jìn)行采集，同一海拔高度同一樹種隨機(jī)選取三株樹，每株樹按十字交叉法距離樹體50 cm處取4個方位的根圍土壤，取樣深度為0-30 cm， 30-60 cm兩個垂直區(qū)段，將相同深度的樣品均勻混合，組成一個混合樣本，放置可封口的保鮮袋當(dāng)中，并做好標(biāo)記，其中0-30 cm為A（土壤上層），30-60 cm為B（土壤下層）。采集的土樣過2mm篩子，置于4℃、-20℃、-80℃保存?zhèn)溆茫ū?）。

1.2 ?酶活檢測

土壤酶活檢測方法參照《土壤理化分析與剖面描述》[26]。

1.3 ?土壤DNA的提取與高通量測序

土壤DNA提取和測序分析在聯(lián)川生物Illumina MiSeq平臺進(jìn)行。

1.4 ?數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

通過Mothur軟件分析樣品的Alpha多樣性，利用SPSS 20.0分析群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的相關(guān)性;利用Praphpad Prism 8對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?酶活性

如表2所示，海拔1868 m處土壤上下層的蛋白酶活性在相差最大，上層約為下層含量的2.3倍;N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性變化范圍在23.21-40.51 nmol/ （g-h）;BH1A的堿性磷酸酶最高為12 I 9.63 nmol/ （g d），BH3B最低為415.58 nmol/（g d）;過氧化物酶的活性變化范圍在503.87-1168.60 nmol/ （g h）。土壤上層蛋白酶活性、堿性磷酸酶活性、過氧化物酶活性隨海拔高度上升而顯著減弱，N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性隨海拔高度上升而減弱;下層N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性隨海拔高度上升而減弱，堿性磷酸酶、過氧化物酶活性隨海拔高度上升而顯著減弱。

2.2 ?群落結(jié)構(gòu)和多樣性分析

如圖1所示，根際土壤細(xì)菌群落在綱水平分類為放線菌綱（Actinobacteria）、α-變形菌綱（α-Proteobacteria）、酸桿菌門-GP6（Acidobacteria-GP6）、β-變形菌杠（β-Proteobacteria）、酸桿菌門-GP4（Acidobacteria-GP4）、酸桿菌門-GP16（Acidobacteria-GP16）、芽孢桿菌綱（Bacilli）、y變形菌綱（y-Proteobacteria）、Δ-變形菌綱（Δ-Proteobacteria）和硝化螺旋菌綱（Nitrospira）。隨著海拔上升，α-變形菌綱的豐度逐漸下降，放線菌綱所占的比例則一直保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，同時各個海拔梯度下淺層土的α-變形菌綱豐度占比始終高于深層土。

如表3所示，土壤上層Chao 1指數(shù)在1945 m處最大，下層Chao 1指數(shù)在2020 m處最大，上層和下層Chao 1指數(shù)隨海拔高度上升均無明顯變化規(guī)律，Chao 1指數(shù)隨土層深度增加無明顯變化規(guī)律。土壤上層Shannon指數(shù)在2020 m處最大，下層Shannon指數(shù)在1868 m處最大，上層的Shannon指數(shù)隨海拔高度上升而增大，下層Shannon指數(shù)隨海拔高度上升無明顯變化規(guī)律，上層Shannon指數(shù)大于下層。土壤上層和下層Simpson指數(shù)在2020 m處最大，上層的Simpson指數(shù)隨海拔高度上升而增大，下層Simpson指數(shù)隨海拔高度上升無明顯變化規(guī)律，上層Simpson指數(shù)大于下層。

2.3 ?相關(guān)性分析

對白樺根際土壤細(xì)菌群落和根際土壤酶活性進(jìn)行RDA分析可以發(fā)現(xiàn)，0-30 cm的上層土壤微生物細(xì)菌群落與四種土壤關(guān)鍵酶呈正相關(guān)關(guān)系，而30-60 cm的下層土壤細(xì)菌群落豐度與這四種土壤酶活性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3 ?討論

海拔梯度的改變影響了光照、土壤水含量和溫度，導(dǎo)致小氣候發(fā)生變化，這些改變進(jìn)而影響了土壤的物理性質(zhì)、養(yǎng)分、酶活性、微生物生物量和微生物結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致高山地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的功能進(jìn)一步變化[27]。本研究中的蛋白酶、堿性磷酸酶、過氧化物酶和N-乙酰氨基葡萄糖苷酶四種土壤酶活性隨海拔高度上升均呈現(xiàn)降低趨勢，其中N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性隨海拔的變化規(guī)律與李丹丹[28]的研究結(jié)果一致，主要原因可能是土壤酶活性變化規(guī)律與不同海拔植被的土壤養(yǎng)分含量、含水量、光照、微生物數(shù)量等因子的變化直接或間接相關(guān)，殷陶剛等[29]發(fā)現(xiàn)土壤微生物、土壤理化性質(zhì)和人為因素都是影響土壤酶活性的關(guān)鍵因子，同時，四種酶活性均隨土層深度的增加而減弱，這與Taylor[30]的研究結(jié)果契合，猜測是因為土壤中的大部分的生化反應(yīng)、物質(zhì)轉(zhuǎn)化及能量循環(huán)都是在淺層土進(jìn)行，較深層的土壤環(huán)境下可能不適合大部分酶進(jìn)行催化反應(yīng)。

通過高通量測序檢測發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌門水平下，放線菌門、酸桿菌門、變形菌門為根圍土壤的優(yōu)勢群落。土壤下層的放線菌門含量隨海拔升高而增加，林惠瑛[31]等人的研究也發(fā)現(xiàn)相同規(guī)律。Shannon指數(shù)是衡量微生物多樣性的關(guān)鍵指數(shù)，隨著海拔高度的升高，上層土壤根際土壤細(xì)菌的Shannon指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，隋夕然等[31]的相關(guān)研究也證實(shí)了這一規(guī)律，但是深層土壤的多樣性指數(shù)并沒有表現(xiàn)出升高或降低的規(guī)律，因為深層土壤的微環(huán)境比較穩(wěn)定，而溫度、濕度和其他環(huán)境因素對深層土的影響不大，導(dǎo)致深層土壤的細(xì)菌群落多樣性沒有顯著的變化。同時本研究還對白樺根際土壤細(xì)菌群落和根際土壤酶活性進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，淺層土壤微生物細(xì)菌群落與蛋白酶、堿性磷酸酶和N-乙酰氨基葡萄糖苷酶活性呈正相關(guān)關(guān)系，而深層土壤正相反，這可能與土壤微生物進(jìn)行的生命活動有直接關(guān)系。

4 ?結(jié)論

本研究以大青山中白樺根際土為研究對象，采用高通量測序技術(shù)對其不同海拔高度以及不同土層深度根圍土壤微生物多樣性及群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并結(jié)合土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性進(jìn)行相關(guān)分析，為評價大青山森林植被健康狀況提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

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作者簡介：包潤澤，男，碩士研究生，研究方向：應(yīng)用與環(huán)境微生物學(xué);

*通訊作者：姚慶智，男，博士，教授，研究方向：土壤微生物學(xué)。