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    濕地水蔥根際、根內(nèi)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)因素

    2022-06-09 07:38:36柴寶峰劉珊珊劉晉仙吳鐵航
    關(guān)鍵詞:菌門根際群落

    柴寶峰,劉珊珊,劉晉仙,吳鐵航

    (1.山西大學(xué) 黃土高原研究所 黃土高原生態(tài)恢復(fù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030006;2.美國(guó)佐治亞州南部大學(xué) 生物系,佐治亞州 斯泰茨伯勒,30460)

    0 引言

    與植物相關(guān)的微生物群落對(duì)于宿主營(yíng)養(yǎng)獲取、發(fā)育、免疫活性和抗逆性具有重要作用[1]。在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中,植物通過(guò)自身的基因組塑造了其特異的微生物群落結(jié)構(gòu),其中與植物功能適應(yīng)性相關(guān)的核心菌群稱為植物微生物組(plant-associated microbiome)[2]。微生物通過(guò)緩解生物和非生物環(huán)境脅迫,有利于植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性,影響植物群落的生態(tài)功能。根際微生物可以幫助植物獲取營(yíng)養(yǎng)、產(chǎn)生生長(zhǎng)激素和防御病原微生物攻擊[3-4]。植物和微生物間的互惠關(guān)系、植物微生物組的結(jié)構(gòu)和多樣性并非隨機(jī)形成。根系微生物組的構(gòu)建過(guò)程受到宿主和環(huán)境因素的影響[5]。研究表明,植物的根際微生物(rhizosphere microbes)和根內(nèi)微生物(en?dophytic microbes)均來(lái)自于土壤微生物庫(kù)[6-7]。植物在不同的發(fā)育階段以及各種環(huán)境因子的驅(qū)動(dòng)下,通過(guò)根系分泌物組成變化和免疫反應(yīng)等,篩選和控制根際和根內(nèi)微生物群落的組成和多樣性[8]?!案鶇^(qū)理論”認(rèn)為植物根系通過(guò)氧氣傳遞,在根系周圍形成好氧、缺氧和厭氧區(qū)域,塑造了具有硝化和反硝化功能的微生物群落,是濕地氮污染去除的重要機(jī)理[9]。關(guān)于植物根際微生物群落結(jié)構(gòu)和功能已有較多的研究,認(rèn)為根際分泌物、土壤物理和化學(xué)性質(zhì)驅(qū)動(dòng)了根際微生物群落的結(jié)構(gòu)和多樣性[10],而植物內(nèi)生微生物群落的構(gòu)建機(jī)制較為復(fù)雜,根內(nèi)微生物群落并非由根際土壤微生物隨機(jī)擴(kuò)散形成。Bulgarelli等[11]提出根內(nèi)微生物群落形成的“兩步法”選擇模型,認(rèn)為根際土壤多種因子決定土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的第一步選擇,第二步則依賴于宿主基因型的趨同選擇作用。關(guān)于植物微生物組的構(gòu)建機(jī)制是微生物生態(tài)學(xué)的重要問(wèn)題,尤其是環(huán)境因子和基因組決定的植物屬性對(duì)于植物微生物組構(gòu)建的相對(duì)貢獻(xiàn),是植物微生物組學(xué)研究的關(guān)注點(diǎn)。

    本研究選擇濕地水生植物水蔥(Scirpus vali?dus)為研究對(duì)象,測(cè)定不同污染梯度下水蔥根際和根內(nèi)細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)和多樣性,通過(guò)分析其與環(huán)境因子的關(guān)聯(lián)性,試圖回答以下問(wèn)題:(1)水蔥根際和根內(nèi)微生物組多樣性和結(jié)構(gòu)的差異性;(2)水蔥根際和根內(nèi)微生物組構(gòu)建的驅(qū)動(dòng)因素。研究結(jié)果以期為人工濕地植物選擇,構(gòu)建高效的污染物去除系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。

    1 材料與方法

    1.1 研究區(qū)概況與樣地設(shè)置

    研究區(qū)位于山西省太原市清徐縣汾河二壩橋附近濕地(112°23?E,37°36?N)。該濕地經(jīng)過(guò)人工改造,全長(zhǎng)3 000 m左右。種植有水蔥、菖蒲(Acorus calamus)、蘆葦(Phragmites australis)、睡蓮(Nymphaea tetragona)等水生植物。水體中以顫藻-席藻群落為主,優(yōu)勢(shì)種為小席藻(Phormi?dium tenue)、窩型席藻(P.fovcolarum)、弱細(xì)顫藻(Oscillatoria tenui)、兩棲顫藻(O.anphibian)。在濕地污水入口處(EC)、濕地中部(MD)和出口(ET)處設(shè)置3個(gè)樣地,采用5點(diǎn)取樣法,選取長(zhǎng)勢(shì)相似的水蔥進(jìn)行根際土采集。

    1.2 樣品的采集和處理

    用鐵鍬將水蔥根系及底泥鏟起,整體放入無(wú)菌塑料袋中,置于車載冰箱運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。先抖落水蔥根系周圍的松土,用無(wú)菌刷子刷取附在根表面1 cm左右的土壤。收集的根際土分為兩部分:一部分在實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干,測(cè)定土壤理化性質(zhì);另一部分土樣用于Illumina高通量測(cè)序。去除根際土后,對(duì)根表進(jìn)行滅菌。首先用無(wú)菌水洗滌,使根表不再粘附土壤;接著用70%的乙醇浸泡2 min,用 2.5% NaClO(含0.1%吐溫80)浸泡5 min,用70%無(wú)水乙醇浸泡30 s,最后用無(wú)菌水洗滌3次,放入10 mL離心管中備用。

    1.3 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

    土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干,過(guò)100目篩選后,測(cè)定土壤的酸堿度、總氮、總碳、總硫、銨根離子、硝酸根離子。土壤pH的測(cè)定使用pH計(jì)(HAN?NA HI3221),稱取水蔥根際土10 g,土樣與水樣比例為1∶2.5,放入50 mL離心管中搖勻。搖床震蕩30 min,取出后靜置,取上清液測(cè)量。用元素分析儀(Elementar Vario MACRO,德國(guó))測(cè)定根際土總氮(TN)、總碳(TC)、總硫(TS)。銨態(tài)氮(NH4+?N)、硝態(tài)氮(NO3-?N)采用間斷化學(xué)分析儀(CleverChem 380,德國(guó))測(cè)定。

    1.4 DNA提取及Miseq高通量測(cè)序

    稱取0.5 g土壤樣品,使用E.Z.N.A.?土壤DNA試劑盒(Omega Bio-tek,USA),按照試劑盒使用說(shuō)明書(shū)步驟提取和純化土壤微生物DNA。每個(gè)采樣點(diǎn)3個(gè)重復(fù),共9個(gè)DNA樣品,送上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司進(jìn)行高通量測(cè)序。采用338F(ACTCCTACGGGAG?GCAGCAG) 和 806R(GGACTACHVGGGT?WTCTAAT)引物對(duì)細(xì)菌16S rRNA基因的V3~V4高可變區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增,擴(kuò)增體系總體積為 20 μL,包括 5 μmol·L-1正反引物 0.8 μL,5×FastPfu Buffer 4 μL,2.5 mmol·L-1dNTPs 2 μL,F(xiàn)astPfu Polymerase 0.4 μL,0.2 μL 的 BSA,10 ng DNA模板。通過(guò)Illumina Miseq測(cè)序平臺(tái)對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)序。

    1.5 生物信息學(xué)分析

    原始序列經(jīng)過(guò)質(zhì)控后,剔除嵌合序列,使用UPARSE以97%的相似性作為閾值劃分分類操作單元(operational taxonomic units,OTUs)。細(xì)菌測(cè)序數(shù)據(jù)與Greengenes數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì),設(shè)置比對(duì)閾值為70%。去除樣品中豐度小于0.001%的OTU。所獲得的序列按最小樣本序列數(shù)抽平,用于下游分析。細(xì)菌16S rRNA基因的原始測(cè)序序列保存在NCBI數(shù)據(jù)庫(kù)中。

    1.6 數(shù)據(jù)分析

    運(yùn) 用 Mothur(Version v.1.30)軟 件 分 析OTU水平的細(xì)菌群落的Sobs指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)、Simpson指數(shù)、ChaoI指數(shù)、ACE指數(shù)。采用方差膨脹因子(VIF)分析,先行篩選共線性較小的環(huán)境因子。運(yùn)用PCoA(principal component analysis)分析不同污染梯度細(xì)菌群落組成的差異性。使用db-RDA(distance based re?dundancy analysis)在門水平分析環(huán)境因子、對(duì)細(xì)菌群落的影響。使用Gephi 0.9.2分析不同污染梯度下水蔥根際、根內(nèi)細(xì)菌的共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)。使用SPSS對(duì)水蔥根際土壤的理化性質(zhì)pH、TN、TC、TS、NH4+-N、NO3--N進(jìn)行單因素方差分析,檢驗(yàn)不同污染梯度下理化性質(zhì)的差異性,統(tǒng)計(jì)分析的置信區(qū)間為95%。

    2 結(jié)果

    2.1 土壤環(huán)境因子分析

    3個(gè)樣地(EC、MD、ET)的土壤理化性質(zhì)具有不同程度的差異(表1)。從濕地入口(EC)到出口處(ET),pH 顯著降低(P<0.05),由8.52降為7.52;氮污染程度顯著減弱(P<0.05),NO3--N濃度由0.033 mg/kg降為0.022 mg/kg,TN濃度由0.041 mg/kg降為0.029 mg/kg,而NH4+-N下降趨勢(shì)不顯著(P>0.05);TC含量由1.68%下降為1.09%,TS含量由0.15%下降為0.11%。說(shuō)明該濕地可有效去除水體中的氮污染和有機(jī)污染物,對(duì)水質(zhì)具有顯著的改善作用。而土壤理化性質(zhì)的變化,對(duì)植物和微生物群落可能產(chǎn)生相應(yīng)的影響。

    表1 不同取樣點(diǎn)水蔥根際土壤理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of rhizosphere soil of Scallion at different sampling points

    2.2 水蔥根際、根內(nèi)細(xì)菌群落多樣性

    對(duì)濕地3個(gè)樣地內(nèi)生長(zhǎng)的水蔥根際和根內(nèi)細(xì)菌群落多樣性進(jìn)行分析。結(jié)果如表2所示,從濕地的入口到出口處,根際細(xì)菌的Sobs指數(shù)顯著下降(P<0.05),由 1 303.33降為 868.56,說(shuō)明根際細(xì)菌群落內(nèi)物種分布的均勻度顯著增加(P<0.05),同時(shí)Shannon-Weiner指數(shù)也顯著降低(P<0.05),由5.49降為3.34.說(shuō)明根際細(xì)菌群落的豐富度下降。Simpson指數(shù)在中部最低(0.008)、ACE指數(shù)和Chao指數(shù)在中部最高,分別為2 193.78和2 148.91。但水蔥根內(nèi)細(xì)菌群落的多樣性在3個(gè)樣點(diǎn)間差異不顯著,說(shuō)明根內(nèi)細(xì)菌群落的多樣性受土壤理化因子的影響不明顯。根際和根內(nèi)細(xì)菌群落多樣性指數(shù)的差異不顯著(P>0.05),根內(nèi)的Shannon-Weiner指數(shù)(5.423)略高于根際(4.985)。

    表2 不同污染梯度下根際和根內(nèi)細(xì)菌群落α多樣性Table 2 α diversity of rhizosphere and endophytic bacterial communities with pollution gradients

    2.3 濕地水蔥根際、根內(nèi)細(xì)菌組成

    高通量測(cè)序的OTU注釋結(jié)果如圖1所示,研究樣地水蔥根際和根內(nèi)細(xì)菌群落共有52個(gè)門、150個(gè)綱、341個(gè)目、565個(gè)科、1 053個(gè)屬。水蔥根際、根內(nèi)細(xì)菌在門的種類組成上具有一定的相似性。豐度大于1%的細(xì)菌優(yōu)勢(shì)門在根際有 11個(gè)(圖 1(a)),分別為厚壁菌門(Fir?micutes)、變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteriota)、脫 硫 桿 菌 門(Desulfobacte?rota)、綠彎菌門(Chloroflexi)、擬桿菌門(Bacte?roidota)、酸桿菌門(Acidobacteriota)、芽單胞菌門(Gemmatimonadota)、疣微菌門(Verrucomicro?biota)、黏細(xì)菌門(Myxococcota)、纖維桿菌門(Fibrobacterota)。不同取樣點(diǎn)根際細(xì)菌門的豐度差異顯著,變形菌門、放線菌門、脫硫桿菌門的豐度在入口處最高,分別為29.58%、40.71%、6.01%,出口處最低,分別為16.39%、7.58%、2.39%;而豐度最大的厚壁菌門則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì),入口處和出口處的豐度分別為9.68%和66.05%。可見(jiàn),環(huán)境因子對(duì)于根際細(xì)菌群落的組成、結(jié)構(gòu)具有較大的影響。水蔥根內(nèi)豐度大于1%的細(xì)菌優(yōu)勢(shì)門有14個(gè)(圖1(b)),依次為變形菌門、放線菌門、厚壁菌門、脫硫桿菌門、擬桿菌門、綠彎菌門、硝化螺旋菌門(Nitrospirota)、MBNT15、酸桿菌門、疣微菌門、黏細(xì)菌門、Sva0485、芽單胞菌門、梭桿菌門(Fusobacteriota)等。不同取樣點(diǎn)根內(nèi)細(xì)菌門的豐度差異不顯著,說(shuō)明環(huán)境因子對(duì)根內(nèi)細(xì)菌的組成結(jié)構(gòu)影響不顯著。除了在豐度上的差異外,在門水平水蔥根際和根內(nèi)細(xì)菌群落組成有4個(gè)門不同,差異性達(dá)30.77%。

    圖1 不同污染梯度根際(a)、根內(nèi)(b)細(xì)菌門水平的組成Fig.1 Composition of rhizosphere(a)and endophytic(b)bacterial phylum at different sampling points

    水蔥根際細(xì)菌群落在屬水平的組成豐度大于1%的細(xì)菌屬有12個(gè)(圖2(a)),從大到小分別為微小桿菌屬(Exiguobacterium)、假節(jié)桿菌屬(Pseudarthrobacter)、類諾卡氏屬(Nocardioi?des)、芽 孢 桿 菌 屬(Bacillus)、毛 球 菌 屬(Trichococcus)、芽孢八疊球菌(Paenisporosarci?na)、鞘 氨 醇 單 胞 菌 屬(Sphingomonas)、Norank_Steroidobacteraceae、Unclssified_Desulfo?capsaceae、游球菌(Planococcus)、節(jié)桿菌屬(Ar?throbacter)、Unclassified_Intrasporangiaceae。 水蔥根內(nèi)細(xì)菌群落在屬水平上豐度大于1%的細(xì)菌屬有13個(gè)(圖2(b)),從大到小依次為微小桿菌屬、紅球菌屬(Rhodococcus)、硫桿菌屬(Thiobacillus)、芽孢桿菌屬、Norank_Steroido?bacteraceae、Norank_f_norank_o_norank_c_norank_P_MB、NT15norank_f_norank_o_SJA-15、El?lin6067、norank_f_norank_o_norank_c_4-29-1、norank_f_SC-I-84、norank_f_Rhizobiales_incer?tae_sedis、norank_f_norank_o_norank_c_Sva0485、Hypnocyclicus。水蔥根際和根內(nèi)細(xì)菌群落的組成在屬水平的差異顯著,有3個(gè)共有屬,差異性達(dá)76.92%。

    圖2 不同污染梯度根際(a)、根內(nèi)(b)細(xì)菌屬水平下的組成Fig.2 Composition of rhizosphere(a)and endophytic(b)bacterial genus at different sampling points

    在OTU水平分析3個(gè)樣地水蔥根際和根內(nèi)細(xì)菌的共有菌和特異菌,韋恩圖分析(圖3)可見(jiàn),12 478個(gè)OTU中,607個(gè)OTU共存于根際和根內(nèi),根際特有的OTU數(shù)量為385,而根內(nèi)特有的OTU達(dá)759個(gè)。水蔥根際OTU在中間樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)最多為793個(gè),而根內(nèi)OTU在出口處最多,達(dá)904個(gè)。

    圖3 韋恩圖分析三個(gè)樣地根際(RS)、根內(nèi)(ES)OTU的分布Fig.3 Venn diagram analysis of distribution of rhizosphere(RS)and endophytic(ES)OTU at three sampling points

    2.4 水蔥根際和根內(nèi)細(xì)菌群落差異性分析

    在OTU水平對(duì)水蔥根際和根內(nèi)細(xì)菌群落的差異性進(jìn)行PCoA分析。結(jié)果表明不同取樣點(diǎn)水蔥根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有極顯著差異(P<0.01)(圖 4(a))。PCoA 分析第一軸和第二軸的解釋率分別為66.13%和13.92%,總解釋率達(dá)80.05%。水蔥根際細(xì)菌群落呈現(xiàn)離散型分組,表明不同取樣點(diǎn)土壤理化性質(zhì)對(duì)水蔥根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有顯著影響。不同取樣點(diǎn)水蔥根內(nèi)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有一定差異,但差異不顯著(圖 4(b))(P=0.132),第一軸和第二軸的解釋率分別為28.79%和25.71%,總解釋率為54.50%。說(shuō)明不同取樣點(diǎn)土壤環(huán)境因子對(duì)水蔥根內(nèi)細(xì)菌群落的影響較小。水蔥根際、根內(nèi)細(xì)菌群落的差異極顯著(P<0.01),且根內(nèi)群落更為聚集(圖4(c)),PCoA第一軸和第二軸解釋率分別為27.20%和23.00%,總解釋率達(dá)50.20%。說(shuō)明水蔥根內(nèi)細(xì)菌群落組成相似性高,受環(huán)境影響較小,而根際土壤細(xì)菌群落受環(huán)境影響較大。

    圖4 沿污染梯度根際(a)、根內(nèi)(b)以及根際和根內(nèi)間(c)細(xì)菌群落的β多樣性Fig.4 β diversity of rhizosphere(a)and rhizosphere(b)bacterial communities,and between them(c)at different sampling points

    2.5 水蔥根際、根內(nèi)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系

    利用db-RDA方法進(jìn)一步分析水蔥根際和根內(nèi)細(xì)菌群落組成結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的關(guān)系。根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在門水平主要受pH、NO3--N、NH4+-N和TN的影響,其中第一軸和第二軸的解釋率分別為43.85%和8.08%,總解釋率達(dá)51.93%(圖5(a))。變形菌和放線菌與NH4+-N、pH、NO3--N有顯著的相關(guān)性(P<0.05),說(shuō)明水蔥根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)受環(huán)境因子的影響較大。水蔥根內(nèi)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在門水平主要受pH和NH4+-N的影響(圖5(b)),第一軸和第二軸的解釋率分別為23.18%和16.81%,總解釋率為39.99%,低于環(huán)境因子對(duì)根際細(xì)菌的解釋率,其中pH與根內(nèi)放線菌和MBNT15菌的相關(guān)性最大。

    圖5 不同環(huán)境因子對(duì)根際(a)和根內(nèi)(b)細(xì)菌的影響Fig.5 Effects of different environmental factors on rhizosphere(a)and endophytic(b)bacterial communities

    2.6 水蔥根際、根內(nèi)細(xì)菌群落的分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)

    利用共現(xiàn)性分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)(molecular eco?logical network,MEN)分析水蔥根際和根內(nèi)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和穩(wěn)定性特征(圖6)。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋵W(xué)屬性參數(shù)如表3所示。根際細(xì)菌群落的節(jié)點(diǎn)數(shù)(158個(gè))、邊數(shù)(2 620)和連接度(16.58)都遠(yuǎn)大于根內(nèi)細(xì)菌群落,說(shuō)明根際細(xì)菌群落的復(fù)雜性較高。網(wǎng)絡(luò)密度參數(shù)表現(xiàn)出類似的特征,根內(nèi)細(xì)菌群落的模塊化程度(0.657)高于根際細(xì)菌群落(0.396),說(shuō)明根內(nèi)細(xì)菌群落的生態(tài)位分化更為明顯。根內(nèi)細(xì)菌群落節(jié)點(diǎn)間平均路徑距離(5.864)顯著大于根際細(xì)菌群落(3.032),說(shuō)明節(jié)點(diǎn)間物質(zhì)、能量和信息的傳遞距離在根內(nèi)更長(zhǎng),速率更慢。不同污染梯度下水蔥根際、根內(nèi)有不同水平的連接性,根據(jù)BC(betweeness centrality)值可判別網(wǎng)絡(luò)圖中的關(guān)鍵物種。根據(jù)BC值的大小篩選出根際的關(guān)鍵屬有5個(gè)分別為unclassified_f__Geobacteraceae、Longivirga、鏈霉菌屬(Strepto?myces)、unclassified_o__Gaiellales、norank_f__Rubritaleaceae(BC>1 000)。根內(nèi)的關(guān)鍵屬有7個(gè)分別為unclassified_p__Proteobacteria、冷桿菌屬(Cryobacterium)、norank_f_Methyloligellaceae、Subgroup_10、 norank_f__Geobacteraceae、 Paeni?sporosarcina、Confluentibacter(BC>1 800)。

    表3 水蔥根際和根內(nèi)細(xì)菌群落分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖的拓?fù)鋵W(xué)屬性Table 3 Topological properties of molecular ecological net‐work of rhizosphere and endophytic bacterial communities from Scalonion

    圖6 根際(a)和根內(nèi)(b)細(xì)菌群落屬水平分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)圖Fig.6 Molecular ecological network diagram of rhizosphere(a)and endophytic(b)bacterial community at genus level

    3 討論

    3.1 根際和根內(nèi)微生物群落特征

    水蔥根際和內(nèi)生細(xì)菌群落在門水平上的主要類群相對(duì)豐度沿環(huán)境梯度呈現(xiàn)一定的格局。厚壁菌門、變形菌門和放線菌門的分布,與宋延靜等[12]對(duì)黃河三角洲濕地蘆葦根際固氮微生物的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果相似,說(shuō)明這些細(xì)菌門在氮素去除過(guò)程中有重要的作用。隨氮污染濃度的下降,變形菌門和放線菌門均呈遞減的趨勢(shì),說(shuō)明二者的豐度與氮的濃度密切相關(guān)。放線菌在污水及有機(jī)固體廢物的生物處理中有重要作用[13]。隨著氮濃度降低,厚壁菌門呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),可能是厚壁菌在高污染生境中(污水入口)進(jìn)入休眠狀態(tài)形成芽孢和孢子[14],出口處污染物濃度降低,其豐度增加。Hardoim(2015)等[15]總結(jié)了迄今為止鑒定的原核內(nèi)生細(xì)菌,共有21個(gè)門,其中4個(gè)門占內(nèi)生細(xì)菌序列總數(shù)的96%,分別為變形菌(54%),放線菌(20%),厚壁菌(16%),擬桿菌門(6%),這與本研究對(duì)濕地水蔥根內(nèi)細(xì)菌群落組成的結(jié)果相類似。不同宿主物種內(nèi)生細(xì)菌群落關(guān)鍵組分的相似性分析表明,水蔥根內(nèi)微生物定殖不是一個(gè)被動(dòng)過(guò)程,植物有能力選擇某些微生物群落,或者某些微生物更擅長(zhǎng)填充根系定植生態(tài)位。與水稻[16]和楊樹(shù)[17]的研究類似,從根際土壤到根內(nèi),酸桿菌的相對(duì)豐度降低,而變形菌的相對(duì)豐度在根內(nèi)層增加,表明在濕地中水蔥根內(nèi)細(xì)菌門變化可能與陸地植物相似,酸桿菌可能缺乏在內(nèi)生環(huán)境中增殖所必需的特性。微小桿菌屬在根內(nèi)外較豐富,其具有廣泛的植物有益特性,促進(jìn)植物生長(zhǎng),包括磷酸鹽溶解、固氮、細(xì)胞分裂素以及植物激素吲哚-3乙酸(IAA)和赤霉素的合成[18]。由于研究樣地為處理低污染水排放的濕地,所以污染物的存在對(duì)植物根內(nèi)外相關(guān)細(xì)菌產(chǎn)生選擇性,導(dǎo)致能夠利用這些污染物作為替代能源的分類群的豐度較大。如水蔥根際假節(jié)桿菌屬與脅迫條件有關(guān),它能夠使用多種基質(zhì)作為碳源和能源,且通常對(duì)有毒化合物具有耐受性[19];鞘氨醇菌屬[20]和類諾卡氏菌屬[21]具有較好的利用石油烴能力,并能適應(yīng)高濃度的石油烴污染環(huán)境。根內(nèi)的紅球菌屬對(duì)有機(jī)污染化合物二苯并噻吩(DBT)具有較強(qiáng)的脫硫能力,其最終產(chǎn)物為羥基聯(lián)苯,從而減少對(duì)環(huán)境的污染[22];硫桿菌屬具有除硝態(tài)氮和硫化物利用的雙重特性[23]。不同污染梯度下,根際細(xì)菌多樣性和豐度變化比根內(nèi)顯著,根際微生物群落更容易受到土壤環(huán)境的影響,植物內(nèi)生環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定。Hardoim(2015)等[15]研究認(rèn)為根際細(xì)菌多樣性大于根內(nèi)細(xì)菌多樣性,但本研究結(jié)果與此不同,可能是取樣時(shí)間的不同所致。比如植物衰老期根內(nèi)機(jī)會(huì)性病原體增多,降低了植物適應(yīng)性,并在特定條件下宿主植物暴露于生物或非生物脅迫,導(dǎo)致植物、微生物和環(huán)境之間的多營(yíng)養(yǎng)相互作用關(guān)系被破壞,最終表現(xiàn)為內(nèi)生微生物群落多樣性多于根際土壤。例如在被細(xì)菌病原體歐文氏胡蘿卜亞種(Erwinia carotovorasubsp.carotovora)感染的植物中,馬鈴薯根莖中細(xì)菌內(nèi)生菌的多樣性增加[24]。土壤細(xì)菌群落的這些廣泛變化暗示土壤微生物組根據(jù)植物的需要發(fā)生變化,通常根系微生物組可以在植物生長(zhǎng)的一定階段表現(xiàn)特定的功能[25]。

    PCoA分析表明,水蔥根際和根內(nèi)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了明顯的分化,且根際和根內(nèi)細(xì)菌出現(xiàn)了不同的指示性O(shè)TU。這主要是由于根際細(xì)菌定殖主要是由大量碳的沉積(例如根分泌物、根冠粘液等)驅(qū)動(dòng)[26]。但植物相關(guān)細(xì)菌必須具有高度的競(jìng)爭(zhēng)力才能成功定居根區(qū)[27]。與根際和根面定殖不同,內(nèi)生能力(即成功定殖宿主植物的能力)可能需要特定的性狀,例如,趨化性相關(guān)基因的表達(dá)、鞭毛的形成、細(xì)胞壁降解酶的產(chǎn)生等[15],以及根際土傳細(xì)菌和宿主植物先天免疫系統(tǒng)之間復(fù)雜的相互作用。楊樹(shù)[28]、鴨跖草[29]和水稻[16],根際和根內(nèi)生微生物群之間的這種結(jié)構(gòu)分化也有報(bào)道。根內(nèi)特有的OTU260隸屬于弧菌屬[30],其成員能夠通過(guò)釋放抗微生物化合物來(lái)抑制真菌植物病原體,有益于植物的健康生長(zhǎng)。

    根際網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性很可能是由于根和周圍土壤的局部環(huán)境的持續(xù)變化所引起,如養(yǎng)分有效性、酸堿度、水分、氧氣含量和CO2水平的變化[31]。與根際相比,根內(nèi)的細(xì)菌群落的物種、多樣性和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性較低,表明有限數(shù)量的物種被植物組織物理分離,或微生物與宿主植物的相互作用的強(qiáng)度,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于微生物-微生物間的相互作用[23]。無(wú)論在根際還是根內(nèi),節(jié)點(diǎn)之間94%以上為正相關(guān),表明在水體環(huán)境中根際和根內(nèi)細(xì)菌群落物種間的共生、共棲關(guān)系更為緊密。在特定環(huán)境因素下,具有相似適應(yīng)能力的細(xì)菌群落通??晒泊媲揖哂邢嗨频沫h(huán)境偏好,享有共同或者相似的生態(tài)位。無(wú)論在根際還是根內(nèi),變形菌具有最多的連接線,表明它們可能是網(wǎng)絡(luò)相互作用關(guān)系的樞紐。這些類群是微生物組結(jié)構(gòu)和功能的驅(qū)動(dòng)因素,可能對(duì)植物健康和生態(tài)系統(tǒng)功能至關(guān)重要。BC值越大代表微生物在群落結(jié)構(gòu)和功能中發(fā)揮的作用越重要。鏈霉菌屬具有增強(qiáng)植物抗逆性,在協(xié)助植物固氮和促進(jìn)植物吸收營(yíng)養(yǎng)方面發(fā)揮著重要作用[32]。Paenisporosarcina是具有多種代謝功能的細(xì)菌,有多種活性,如營(yíng)養(yǎng)循環(huán)、有機(jī)化合物降解等[33]。

    3.2 土壤理化因子對(duì)根際、根內(nèi)微生物的影響

    土壤因子對(duì)根系微生物群落的形成起著重要作用,根際微生物棲息的微生境中的土壤因子,可以局部影響微生物的生存狀態(tài)[34]。pH值、C、N、溫度等非生物因素會(huì)影響微生物群落的分布,因此土壤性質(zhì)會(huì)直接影響根際細(xì)菌群落,或通過(guò)影響植物根系的生理學(xué)特征而間接影響根際微生物群落[35]。大多數(shù)研究認(rèn)為,土壤pH值是決定不同土壤細(xì)菌多樣性和門組成的主要因素。本研究中門水平的根際、根內(nèi)細(xì)菌群落都受到pH的顯著影響。Li等[29]對(duì)根部細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的多因素分析結(jié)果顯示,pH值對(duì)根內(nèi)細(xì)菌影響較小,可能是植物體內(nèi)的酸堿度相對(duì)穩(wěn)定。Lafay 和 Burdon[36]卻認(rèn)為,雖然影響較小,但土壤酸堿度對(duì)細(xì)菌群落的影響可以延伸到植物內(nèi)部。本研究根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與土壤總氮也有顯著相關(guān)性。凃月等[37]認(rèn)為,TC、TN對(duì)濕地植物根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)發(fā)揮更為重要的作用,與本研究結(jié)果類似。水蔥根際細(xì)菌放線菌門與NO3--N顯著相關(guān),其對(duì)NO3--N的去除發(fā)揮著重要的作用[38];變形菌門與NO3--N和NO4+-N成正相關(guān),是生態(tài)系統(tǒng)的重要的微生物類群,與硝酸鹽和亞硝酸鹽的氨化有關(guān)系[39]。總之,本研究中環(huán)境因子對(duì)細(xì)菌群落格局和多樣性的總解釋率達(dá)51.93%,說(shuō)明了微生物群落與環(huán)境之間的緊密聯(lián)系。

    4 結(jié)論

    在污染濕地中,水蔥根際、根內(nèi)細(xì)菌在門和屬水平上各自具有不同的優(yōu)勢(shì)類群,門水平上物種組成具有一定的相似性,但屬水平物種組成差異較大。環(huán)境因子對(duì)根際細(xì)菌多樣性的影響較大,而對(duì)根內(nèi)細(xì)菌多樣性影響較小。pH、NO3-、NH4+、TN對(duì)根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的形成起主要作用,根內(nèi)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)受pH和NH4+的影響。根際和根內(nèi)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性具有顯著差異,根際細(xì)菌群落的復(fù)雜性較高,根內(nèi)細(xì)菌群落的物種、多樣性和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性較低,根內(nèi)細(xì)菌群落的生態(tài)位分化更為明顯。

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