倒春寒對開花期小麥根際土壤真菌群落的影響*

王捧娜,代雯慈,于敏,翁穎,黃謹衛(wèi),吳宇,蔡洪梅,郭健鵬,高賽,鄭寶強,李金才,2**,陳翔**

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/農(nóng)業(yè)部華東地區(qū)作物栽培科學觀測站 合肥 230036;2.江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心 南京 210095)

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)報告指出,21世紀末全球地表均溫增長可能超過1.5 ℃[1]。隨著全球氣候變暖的加劇,突發(fā)性、難預測性和強破壞性極端氣象災(zāi)害事件的發(fā)生頻率增加,導致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性增加。小麥(Triticum aestivumL.)是全球20 億以上人口的主要口糧,能為人類提供約20%的蛋白質(zhì)和熱量[2]。近年來極端低溫氣候災(zāi)害事件的頻發(fā)重發(fā)已嚴重影響中國、美國和澳大利亞等小麥主產(chǎn)國小麥的穩(wěn)產(chǎn)豐產(chǎn)與優(yōu)質(zhì),對全球糧食安全造成了極大的威脅[3]。1980-2020 年中國小麥主產(chǎn)區(qū)發(fā)生近20 次大規(guī)模低溫災(zāi)害事件,其中尤以黃淮麥區(qū)的倒春寒(late spring coldness in wheat,LSCW)災(zāi)害危害最為嚴重[4]。小麥倒春寒主要指拔節(jié)至孕穗期間遭遇突然降溫天氣,造成幼穗受傷或死亡,部分小穗不結(jié)實甚至全穗不結(jié)實,從而導致小麥減產(chǎn)的一種農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害[5]。黃淮麥區(qū)在2009 年、2013年、2015 年、2018 年和2020 年均有倒春寒災(zāi)害發(fā)生,年際發(fā)生頻率達到了40%,災(zāi)害嚴重年份小麥減產(chǎn)高達50%以上[4,6]且導致籽粒品質(zhì)劣化[7]。因此,倒春寒災(zāi)害已成為限制我國小麥生產(chǎn)高產(chǎn)高質(zhì)高效發(fā)展的重要因素。

前人關(guān)于小麥倒春寒災(zāi)害的研究集中于對葉片(源)[8-11]、莖稈(流)[12]、穗部(庫)[13-15]等地上部器官的影響。劉綠洲等[10]研究表明倒春寒會破壞小麥功能葉的細胞結(jié)構(gòu),使葉肉細胞內(nèi)葉綠體面積和數(shù)目減小、基粒片層厚度和數(shù)量下降,進而導致其光合性能下降?？骆骆碌萚16]研究表明倒春寒會降低小麥干物質(zhì)的積累量、花前干物質(zhì)的轉(zhuǎn)運量、花前貯藏干物質(zhì)對籽粒的貢獻率,減少光合同化產(chǎn)物向穗部的轉(zhuǎn)運與分配,從而導致小麥減產(chǎn)。Zhang 等[15]研究進一步指出倒春寒脅迫后小麥下部小穗的災(zāi)損要大于上部和中部小穗。Jiang 等[17]通過轉(zhuǎn)錄組分析研究表明小麥穗部在4 ℃和-4 ℃倒春寒下差異表達基因大于4000 個,其中蔗糖合成酶基因表達的上調(diào)可能對小麥的抗倒春寒能力起著重要作用。但目前鮮有報道研究倒春寒對小麥地下部根系及根際微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響。作物根際是土壤微生物活躍的熱點區(qū)域[18],參與作物的發(fā)育、營養(yǎng)吸收和脅迫響應(yīng)等多個過程,對其生長及抗逆性十分重要[19]。土壤微生物對環(huán)境變化十分敏感,細微的外界環(huán)境變化都會改變微生物數(shù)量和群落結(jié)構(gòu)[20]。因此闡明作物根際土壤微生物群落對環(huán)境變化的響應(yīng)規(guī)律有助于增強其在提高作物抗逆能力方面的潛在功能,然而倒春寒災(zāi)害下小麥根際土壤真菌群落結(jié)構(gòu)和功能變化尚不清楚。本研究選用抗倒春寒性強弱不同的兩個小麥品種于幼穗分化的藥隔期人工模擬倒春寒,利用Illumina 測序技術(shù)對小麥根際真菌群落特征進行分析,旨在探究倒春寒災(zāi)害對小麥根際土壤真菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響,為深入了解小麥根際真菌群落對倒春寒的響應(yīng)提供理論支撐,從而豐富和完善小麥倒春寒的致災(zāi)機理研究。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2021 年11 月4 日-2022 年5 月18 日在安徽農(nóng)業(yè)大學農(nóng)萃園(31°52′9.86″N,117°14′50.91″E,海拔21.3 m)進行,該地區(qū)屬于北亞熱帶濕潤季風氣候,年均日照時數(shù)2100 h,年均氣溫15 ℃,年均降水量875 mm。該區(qū)域倒春寒多發(fā)生在每年3 月中下旬至4 月上旬,此時小麥正處于拔節(jié)——孕穗期,其幼穗正處于分化的關(guān)鍵時期,組織幼嫩、含水量較高,對低溫十分敏感,且以幼穗分化的藥隔形成期為低溫敏感期[10-11,16]。試驗土壤為黃棕壤土,取自地表0～20 cm,土壤pH為6.5,有機質(zhì)16.3 g·kg-1、全氮1.3 g·kg-1、速效氮112.2 mg·kg-1、速效磷23.0 mg·kg-1、速效鉀161.6 mg·kg-1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗采用盆栽方式種植,土壤過篩后裝入PVC桶中(直徑25 cm,高度29 cm),每盆裝土10 kg,播種前施純氮0.12 g·kg-1、P2O50.10 g·kg-1和K2O 0.10 g·kg-1,拔節(jié)期追施純氮0.04 g·kg-1(土)。在前期研究的基礎(chǔ)上[21],選取抗倒春寒性弱的‘新麥26’(XM)和抗倒春寒性強的‘煙農(nóng)19’(YN)兩小麥品種為供試材料,每個處理6 盆,每盆播種籽粒飽滿均勻且無病蟲害的小麥種子18 粒,播種深度為3 cm,三葉期(2021年12 月9 日)間苗,每盆留9 株長勢基本一致的幼苗。

于小麥幼穗分化的藥隔形成期(第3 節(jié)間伸長、倒二葉露出)利用智能超低溫光照培養(yǎng)箱(DWGZ-1008B3 型號,合肥右科儀器設(shè)備有限公司)模擬大田倒春寒災(zāi)害的溫變規(guī)律進行低溫脅迫處理,以10 ℃作為對照處理(CK);在前期研究基礎(chǔ)上[15]設(shè)置2 ℃(T1)、-2 ℃ (T2)兩個脅迫溫度,于2022 年3 月17日1:00-5:00 低溫處理4 h[16](培養(yǎng)箱內(nèi)光強設(shè)置為0 Lux,相對濕度為75%)。處理結(jié)束后將盆栽移出培養(yǎng)箱,搬至大田生長直至成熟收獲。其他田間管理措施同一般高產(chǎn)田。

1.3 取樣方法

小麥開花期(2022 年4 月8 日)分別采集各處理小麥植株和根際土壤樣本。將小麥植株分為地上部和根系兩部分,于105 ℃烘箱中殺青30 min 后75 ℃烘干至恒重,測定其干物質(zhì)重并計算根冠比。根冠比=根系干物質(zhì)重/地上部干物質(zhì)重。根際土壤樣本采用多點混合樣本采集方法,以盆為單位分別小心地從盆中取出植株,去除根際附著不緊密的土壤[19,22],然后用無菌刷收集附著緊密的土壤,混合每盆中植株根際土壤,每處理均獲取6 個生物學重復,封入無菌袋,置于冰盒帶回實驗室,保存于-80 ℃冰箱備用。各處理根際土壤樣本分別表示為XM_CK、XM_T1、XM_T2、YN_CK、YN_T1、YN_T2,由上海歐易生物醫(yī)學科技有限公司進行測序。

1.4 DNA 提取與高通量測序

采用DNA 抽提試劑盒(MagPure Soil DNA LQ Kit)對土壤樣本的基因組DNA 進行提取,之后利用瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA 的純度和濃度。真菌ITS 區(qū)使用前端ITS1F 引物5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3′和后端ITS2R 引物5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′[23]進行PCR 擴增。擴增程序為94 ℃預變性 5 min,33 個循環(huán)(94 ℃變性30 s,56 ℃退火 30 s,72 ℃ 延伸20 s),最后72 ℃5 min。擴增體系為30 μL,15 μL 2×Gflex PCR 緩沖液,正、反向引物(5 pmol?μL-1)各1 μL,0.6 μL (1.25 U?μL-1) Tks-Gflex DNA 聚合酶;50 ng DNA 模板,其他用雙蒸水補齊。擴增產(chǎn)物使用Illumina NovaSeq 6000測序平臺進行測序。

1.5 生物信息學分析

原始數(shù)據(jù)首先使用cutadapt 軟件去掉引物序列,然后在QIIME2 (2020.11)[24]使用DADA2[25]進行拼接、質(zhì)控、拼接合并生成ASV (Amplicon Sequence Variant,擴增子序列變異)。使用QIIME 2 軟件包挑選出各個ASV 的代表序列后,并使用q2-feature-classifier 軟件默認參數(shù)進行分析將所有代表序列與Unite(ver 8)數(shù)據(jù)庫進行比對注釋。

通過計算Chao1、Shannon、ACE、Simpson 指數(shù)表征小麥根際土壤微生物的多樣性和豐富度,進行樣本內(nèi)物種多樣性即Alpha 多樣性和樣本間Beta多樣性分析表征真菌群落多樣性變化;通過PCA 分析(principal components analysis,主成分分析)表征不同處理真菌群落的差異。計算公式如下[26-28]:

式中:SChao1為估計到的ASV 數(shù)量,Sobs為實際觀測到的ASV 總數(shù),n1為只含一條序列的ASV 的數(shù)量,n2為含兩條序列的ASV 的數(shù)量,HShannon為香農(nóng)指數(shù),N為樣品序列總數(shù),DSimpson為辛普森指數(shù),ni為第i個ASV 的序列數(shù)量。

20世紀六七十年代，文化大革命時期，全國大部分印刷企業(yè)處于停產(chǎn)歇業(yè)狀態(tài)，中科印刷卻依然在堅持生產(chǎn)。這一時期，中科院的主要科研成果——陳景潤的哥德巴赫猜想、人工合成胰島素等內(nèi)容的排版印刷都在中科印刷完成。中科印刷在這一時期，發(fā)揮了舉足輕重的作用。

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用IBM SPSS Statistics 23 對數(shù)據(jù)進行方差分析,采用LSD 法比較各處理間的統(tǒng)計學差異(P<0.05)。用Microsoft Excel 2021 進行物種豐度柱狀圖繪制和圖表制作(圖表中數(shù)據(jù)均表示為平均值±標準誤差),用Origin 2021 軟件進行PCA 分析,采用歐易生物云分析平臺進行Venn 圖、LEfse 分析和FUNGuild 真菌功能預測。

2 結(jié)果與分析

2.1 倒春寒對開花期小麥生物量積累的影響

由表1 可見,倒春寒脅迫后兩品種小麥開花期根干物質(zhì)重和地上部干物質(zhì)重較對照處理均下降,且降幅隨倒春寒脅迫強度增加逐漸增大。與對照相比,T1 和T2 處理下,XM 開花期根干物質(zhì)重和地上部干物質(zhì)重分別顯著下降7.03%、12.22%和21.66%、35.49%(P<0.05),YN 在T1 和T2 處理下根干物質(zhì)重和地上部干物質(zhì)重分別下降1.65%、4.13%和15.05%、18.31%。表明藥隔期倒春寒會降低開花期小麥地上地下部生物量的積累且對抗倒春寒性弱的XM 影響更大。同時根冠比隨倒春寒脅迫強度增加逐漸上升且與對照之間差異顯著,XM 根冠比顯著上升18.68%和36.08%,YN 根冠比顯著上升15.79%和17.36%。

表1 不同倒春寒處理對不同品種小麥開花期干物質(zhì)重及根冠比的影響Table 1 Effects of late spring coldness on root dry weight,aboveground dry weight and root-shoot ratio of different wheat cultivars at flowering stage

2.2 倒春寒對開花期小麥根際土壤真菌群落結(jié)構(gòu)組成的影響

ASVs 的代表序列的分類學分析共得到8 門29綱76 目145 科256 屬的土壤真菌。由圖1A 可見,在門水平上,所有土樣中共有8 個可注釋到的門被檢出,包含子囊菌門(Ascomycota)、接合菌門(Zygomycota)、擔子菌門(Basidiomycota)、壺菌門(Chytridiomycota)、羅茲菌門(Rozellomycota)、絲足蟲門(Cercozoa)、球囊菌門(Glomeromycota)和黃藻門(Anthophyta)。其中子囊菌門為第1 優(yōu)勢菌門,所有樣品中的相對豐度為24.37%～42.32%;接合菌門為第2 優(yōu)勢菌門,在所有樣品中的相對豐度為15.79%～40.06%。兩品種中子囊菌門相對豐度均隨脅迫程度增強而升高。而接合菌門的相對豐度在XM_T2 根際土壤中占比為15.79%,顯著低于XM_CK、XM_T1、YN_CK和YN_T2 根際土壤接合菌門的相對豐度(P<0.05)?？沟勾汉詮姷腨N 根際土壤中擔子菌門相對豐度在各不同脅迫程度下均高于抗倒春寒性弱的XM,但對于品種XM,2 ℃的倒春寒脅迫使其擔子菌門相對豐度較CK 顯著升高398.26% (P<0.05),而-2 ℃倒春寒脅迫較CK 顯著升高61.57% (P<0.05)。壺菌門在XM_T2 根際土壤的相對豐度顯著高于其他處理,為23.83% (P<0.05),在 XM_CK、XM_T1、YN_CK、YN_T1、YN_T2 根際土壤中的相對豐度分別為4.15%、5.32%、15.40%、3.24%、8.11%。綜上,倒春寒脅迫下兩小麥品種根際土壤子囊菌門相對豐度隨脅迫程度增強而升高,XM_T2 中接合菌門相對豐度顯著低于其他處理,而壺菌門相對豐度顯著高于其他處理(P<0.05);YN 根際土壤中擔子菌門在不同脅迫程度下相對豐度均高于抗倒春寒性弱的XM,兩品種間真菌群落門水平上的相對豐度差異顯著(P<0.05)且倒春寒脅迫對抗倒春寒性弱的XM 影響更大。

圖1 不同倒春寒處理對不同品種小麥的根際土壤真菌各分類水平的組成和相對豐度的影響Fig.1 Effects of late spring coldness on the composition and relative abundance of fungi in rhizosphere soil of different wheat varieties

由圖1B 可見,在綱分類水平上,排名前15 的分別為糞殼菌綱(Sordariomycetes)、Mortierellomycotina cls Incertae sedis、傘菌綱(Agaricomycetes)、壺菌綱(Chytridiomycetes)、座囊菌綱(Dothideomycetes)、散囊菌綱(Eurotiomycetes)、錘舌菌綱(Leotiomycetes)、銀耳綱(Tremellomycetes)、微球黑粉菌綱(Microbotryomycetes)、Pezizomycotina cls Incertae sedis、盤菌綱(Pezizomycetes)、圓盤菌綱(Orbiliomycetes)、Zoopagomycotina cls Incertae sedis、Kickxellomycotina cls Incertae sedis、球囊菌綱(Glomeromycetes)。壺菌綱在XM_T2 根際土壤中的相對豐度顯著高于其他處理,為24.27% (P<0.05)。此外,傘菌綱在YN 根際土壤中的相對豐度顯著高于XM(P<0.05)。綜上,T2 脅迫使得XM 中壺菌綱相對豐度顯著增高(P<0.05),兩小麥品種間根際土壤傘菌綱相對豐度表現(xiàn)為YN 顯著高于XM。

由圖1C 可見,在目水平上,排名前15 的分別為被孢霉目(Mortierellales)、糞殼菌目(Sordariales)、肉座菌目(Hypocreales)、Olpidiales、炭角菌目(Xylariales)、傘菌目(Agaricales)、格孢腔菌目(Pleosporales)、雞油菌目(Cantharellales)、伏革菌目(Corticiales)、刺盾炱目(Chaetothyriales)、柔膜菌目(Helotiales)、Rhizophlyctidales、壺菌目(Chytridiales)、小囊菌目(Microascales)、煤炱目(Capnodiales)。不同程度倒春寒脅迫下,兩品種小麥根際土壤中被孢霉目的相對豐度均隨脅迫強度的增加呈下降趨勢。對于抗倒春寒性較弱的XM,T1 根際土壤中被孢霉目的相對豐度相對于CK 下降16.06%,T2 相對于CK下降60.03%;而對于抗倒春寒性較強的YN,T1 和T2 較CK 分別降低23.03%和34.36%。糞殼菌目的相對豐度在兩品種間差異顯著(P<0.05),且表現(xiàn)為XM 根際土壤大于YN。綜上,倒春寒脅迫下兩品種小麥根際土壤中被孢霉目的相對豐度均隨脅迫強度的增加而下降,且XM 下降幅度更大;不同脅迫程度下XM 的糞殼菌目相對豐度顯著高于YN (P<0.05)。

由圖1D 可見,在科水平上,排名前15 的分別為被孢霉科(Mortierellaceae)、赤殼科(Nectriaceae)、Xylariales fam Incertae sedis、毛球殼科(Lasiosphaeriaceae)、毛殼菌科 (Chaetomiaceae)、球蓋菇科(Strophariaceae)、角擔菌科(Ceratobasidiaceae)、伏革菌科(Corticiaceae)、晶杯菌科(Hyaloscyphaceae)、Rhizophlyctidaceae、黑盤孢科(Amphisphaeriaceae)、格孢腔菌科(Pleosporaceae)、鬼傘科(Psathyrellaceae)、Cantharellales fam Incertae sedis、壺菌科(Chytridiaceae)。6 個處理根際土壤中共有且所占比例較高的菌群為被孢霉科,屬于接合菌門,其在 XM_CK、XM_T1、XM_T2、YN_CK、YN_T1 和YN_T2 中的占比分別為39.95%、31.22%、18.74%、30.35%、23.94%、18.27%。XM 和YN 的T1、T2分別較其CK 下降21.86%、53.09%和21.14%、39.82%。綜上,倒春寒脅迫下兩品種根際土壤中被孢霉科真菌均隨脅迫程度增強而顯著下降(P<0.05),且XM 下降幅度更大。

由圖1E 可見,屬分類水平上,相對豐度排名前15 的菌屬分別為被孢霉屬(Mortierella)、微結(jié)節(jié)菌屬(Microdochium)、田頭菇屬(Agrocybe)、腐質(zhì)霉屬(Humicola)、赤霉屬(Gibberella)、尾孢屬(Cercospora)、Laetisaria、根囊壺菌 屬(Rhizophlyctis)、Echria、毛殼菌屬(Chaetomium)、短毛盤菌 屬(Psilachnum)、刀菌屬(Fusarium)、Limonomyces、頂多毛孢屬(Bartalinia)、亡革菌屬(Thanatephorus)。各處理根際土壤共有且所占比例較高的菌屬為被孢霉屬,其在兩品種中均隨脅迫程度增強而降低。XM_T1、XM_T2 和YN_T1、YN_T2 分別較各自的CK 下降20.85%、54.70%和12.58%、26.89%。綜上,倒春寒脅迫下兩品種根際土壤中被孢霉屬真菌均隨脅迫程度增強顯著下降(P<0.05),且XM 下降幅度更大。

為觀察不同樣本之間真菌群落的相似性,通過主成分分析(PCA)發(fā)現(xiàn),第1 主成分(PC1)和第2 主成分(PC2)分別可以解釋所有變量的6.5%和5.5%。進一步分析表明,XM_T2 與其他處理距離較遠,群落組成結(jié)構(gòu)差異較大(圖2)。

圖2 不同倒春寒處理下不同品種小麥的根際土壤真菌PCA 分析Fig.2 Principal Component Analysis of rhizosphere soil fungi of different wheat cultivars under late spring coldness

通過Illumina 測序技術(shù)對兩品種小麥不同倒春寒脅迫下的根際土壤樣品進行測序,得到各樣本ASV 分析不同處理之間共有、特有的 ASVs 個數(shù)如圖3 所示。通過維恩圖分析(圖3),XM 各處理根際土壤樣本共有82 個ASVs,單獨存在于CK、T1 中的ASVs 數(shù)分別為83、90 個,而T2 處理樣本中為114 個,高于CK 和T1,表明對于抗倒春寒性較弱的XM,-2 ℃倒春寒脅迫對根際土壤真菌群落結(jié)構(gòu)有較大影響。YN 各處理根際土壤樣本共有71 個ASVs,單獨存在于CK、T2 中的 ASVs 數(shù)分別為 80、75 個,而T1 處理樣本中為102 個,高于CK 和T2。表明倒春寒脅迫增加了XM 和YN 的根際土壤真菌群落組成。

圖3 不同倒春寒處理下不同品種小麥的根際土壤真菌 Venn 圖Fig.3 Venn diagram of rhizosphere soil fungi of different wheat cultivars under late spring coldness

2.3 倒春寒對開花期小麥根際土壤真菌群落多樣性的影響

由表2 可知溫度顯著影響了真菌多樣性(P<0.05),品種、品種×溫度的互作效應(yīng)對Chao1 指數(shù)和ACE指數(shù)影響極顯著(P<0.01),品種×溫度的互作效應(yīng)對Shannon 指數(shù)影響顯著(P<0.05)。且對于XM 各項指數(shù)均隨脅迫強度增加先降低后升高。

表2 不同倒春寒處理下不同品種小麥的根際土壤真菌α 多樣性指數(shù)Table 2 Rhizosphere soil fungal Alpha diversity indexes of different wheat cultivars under late spring coldness

XM 各處理間反映群落豐富度的Chao 1 和ACE指數(shù)都具有顯著性差異(P<0.05),反映群落多樣性的Shannon、Simpson 指數(shù)在T1 與CK 間差異不顯著,而T2 與CK 和T1 差異均顯著(P<0.05)。表明XM_T2具有較高的物種豐富度和均勻度。YN 的T2 處理土壤真菌 ACE 指數(shù)、Chao1 指數(shù)低于其余兩處理且與CK 具有顯著性差異(P<0.05),Shannon 指數(shù)和Simpson 指數(shù)顯著高于CK 和T1 處理。綜上-2 ℃倒春寒脅迫對小麥根際真菌群落豐富度和均勻度影響更明顯。

XM為抗倒春寒性弱小麥品種‘新麥26’,YN為抗倒春寒性強小麥品種‘煙農(nóng)19’。CK、T1和T2分別為小麥幼穗分化的藥隔形成期進行10 ℃、2 ℃和-2 ℃處理。同一品種同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。*和**分別表示在P<0.05和P<0.01水平差異顯著。XM and YN are late spring coldness-sensitive and -tolerable wheat culviars,respectively.CK,T1 and T2 are treatments of 10 ℃,2 ℃ and -2 ℃ at anther differentiation period。Different lowercase letters in the same column of the same variety indicate significant differences atP<0.05.*and **indicate significant atP<0.05 andP<0.01 levels,respectively.

2.4 倒春寒對開花期小麥根際土壤真菌的LEfSe 物種差異分析

LEfSe 采用線性判別分析(LDA)來估算每個組分(物種)豐度對差異效果影響的大小。由圖4A 可見,XM_CK 富集更多的 Hypocreales fam Incertae sedis、赤殼科、毛殼菌科、被孢霉科、肉座菌目、被孢霉目、Mortierellomycotina cls Incertae sedis,在XM_T2 中富集更多的散囊菌綱、壺菌綱、小囊菌目、伏革菌目、傘菌目、鬼傘科、伏革菌科和Olpidiales。

圖4 不同倒春寒處理下不同品種小麥的根際土壤真菌LEfSe 物種差異分析Fig.4 Species diversity analysis of LEfSe in rhizosphere soil fungi of different wheat cultivars under late spring coldness

由圖4B 可見,YN_CK 富集更多的壺菌綱、毛殼菌科、Olpidiales,YN_T1 富集更多的鴨嘴菌科(Lophiostomataceae)、晶杯菌科、柔膜菌目、錘舌菌綱,YN_T2 富集更多的座囊菌綱、煤炱目、傘菌目、壺菌目、小壺菌目(Spizellomycetales)、Cystofilobasidiales、格孢菌科、囊藻科(Cystofilobasidiaceae)、Xylariales fam Incertae sedis、球蓋菇科、壺菌科、Spizellomycetaceae。

2.5 倒春寒脅迫下小麥開花期根際土壤真菌群落FUNGuild 功能預測

真菌FUNGuild 數(shù)據(jù)庫注釋結(jié)果(圖5)顯示: 在小麥根際土壤真菌群落中除未分類腐生真菌外,內(nèi)生真菌(endophyte)的相對豐度最高,在XM_CK、XM_T1、XM_T2、YN_CK、YN_T1、YN_T2 中相對豐度分別為21.16%、20.54%、15.26%、16.70%、16.24%和12.79%。兩品種間差異顯著且-2 ℃脅迫下XM 和YN 內(nèi)生真菌相對豐度分別較CK 顯著降低27.87%和23.43%。其次為土壤腐生菌(soil saprotroph)、凋落腐生物(litter saprotroph),兩功能群在各處理中相對豐度分別為18.76 %、19.07%、13.12%、14.81%、13.15%、19.17%和17.63%、18.52%、11.93%、14.00%、14.03%、9.19%。此外,木腐菌(wood saprotroph)、植物病原體(plant pathogen)在XM_T2 中相對豐度顯著高于其他處理,占比分別為9.86%和9.23%。綜上,隨倒春寒脅迫程度的增強小麥根際土壤中內(nèi)生真菌的相對豐度顯著降低,且XM 降低幅度更大;XM_T2 中木腐菌、植物病原體相對豐度更高。

圖5 不同倒春寒處理下不同品種小麥的根際土壤真菌 FUNGuild 功能預測Fig.5 FUNGuild function prediction in rhizosphere soil fungi of different wheat varieties under late spring coldness

3 討論

3.1 倒春寒對開花期小麥植株生長的影響

全球氣候變暖背景下黃淮麥區(qū)倒春寒頻發(fā)重發(fā)已成為限制該地區(qū)小麥高產(chǎn)高質(zhì)高效發(fā)展的重要因素[4],詳細了解倒春寒對小麥植株生長發(fā)育尤其是對根系的影響對小麥生產(chǎn)的防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。本研究發(fā)現(xiàn)倒春寒會降低開花期小麥根系生物量的積累,這與Muhammad[29]研究結(jié)果一致。這可能是因為倒春寒危害降低了小麥根系活力,使根系生長緩慢,生物量積累顯著降低[16]。根系是小麥吸收土壤中水分和礦質(zhì)營養(yǎng)的主要器官,其生長狀態(tài)會影響小麥地上部植株的生長發(fā)育[30]。本研究發(fā)現(xiàn)倒春寒顯著降低了開花期兩品種小麥地上部植株干物質(zhì)重,這與柯媛媛等[31]研究結(jié)果一致。其原因可能是倒春寒不僅會降低小麥根系活力、減緩根系生長[32],影響根系對養(yǎng)分的吸收、同化、積累與轉(zhuǎn)運,同時還會破壞小麥地上部功能葉細胞結(jié)構(gòu)的完整性,導致其光合性能下降[10],影響源器官葉片光合同化有機物的合成積累、轉(zhuǎn)運與分配,最終導致小麥植株地上部生物量積累降低。根系和地上部植株共同構(gòu)成小麥的植株整體,維持適宜的根冠比不僅能使根系高效利用土壤水分和養(yǎng)分,同時又能控制根系的生長冗余,減少根系生長對物質(zhì)的消耗[33]。王艷哲等[34]和王寧等[33]研究認為較多光合同化物分配給地上部植株,降低根冠比有利于作物產(chǎn)量的提升。本研究發(fā)現(xiàn)倒春寒危害后小麥植株的根冠比顯著增加,意味著倒春寒使小麥根系與冠層生長發(fā)育失衡,不利于產(chǎn)量的形成。

3.2 倒春寒對開花期小麥根際真菌群落結(jié)構(gòu)的影響

根際是植物根系與土壤間物質(zhì)與能量轉(zhuǎn)換的直接界面[35],也是植物根系自身生命活動和代謝對土壤影響最直接、最強烈的區(qū)域[36]。溫度脅迫可以改變植物根系分泌物的組成和含量,誘導植物根系分泌大量的物質(zhì)進入到根際土壤中,吸引附近土壤環(huán)境中的微生物,致使作物根際微生物組成結(jié)構(gòu)發(fā)生改變[19,37]。本研究通過Illumina 測序發(fā)現(xiàn)藥隔期倒春寒脅迫改變了兩品種小麥根際土壤真菌群落分類學上的相對豐度,其中子囊菌門和擔子菌門是主要的優(yōu)勢菌群,這與前人研究結(jié)果一致[38-39]。子囊菌門是農(nóng)業(yè)土壤中最大的真菌類群,XM 和YN 根際土壤中子囊菌門相對豐度均隨倒春寒脅迫程度的加重而增加。不同脅迫程度下抗倒春寒性強的品種YN 根際土壤中擔子菌門相對豐度均高于抗倒春寒性弱的品種XM,可能是因為擔子菌門能與小麥共生形成菌根,增強植株抗性[40]。壺菌綱在XM_T2 根際土壤中的相對豐度與其他處理的根際土壤相比顯著增加,這與張江偉等[41]對于逆境脅迫下小麥根際微生物群落變化的研究結(jié)果一致。微生物數(shù)量與結(jié)構(gòu)的變化影響作物根際土壤環(huán)境及根系對土壤養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)化,與作物的生長發(fā)育密切相關(guān)[42]。被孢霉真菌是植物生長促生菌[43],能促進植物產(chǎn)生赤霉素、吲哚乙酸等植物激素及大量多不飽和脂肪酸[44],并為植物提供氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)[45],促進植物的生長,顯著提高植物生產(chǎn)力與抗脅迫能力[46]。前人研究表明脲酶活性與被孢霉菌呈正相關(guān)[47],可促進土壤有機質(zhì)中的氮轉(zhuǎn)化成氨以及尿素氮肥的水解,增強土壤的供氮能力,從而影響微生物群落結(jié)構(gòu)[48]。本研究中兩品種小麥根際土壤被孢霉目、被孢霉科、被孢霉屬的相對豐度均隨脅迫強度的增加呈下降趨勢。其原因可能是倒春寒脅迫使根際土壤脲酶活性下降[48],減少對土壤有機質(zhì)的轉(zhuǎn)化,降低了對微生物養(yǎng)料的供給,因此抑制了小麥根際土壤被孢霉屬真菌的生長。

3.3 倒春寒對小麥根際真菌群落多樣性的影響

土壤根際微生物的多樣性影響著作物生長與抗逆能力[49-50]。根際微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)合理,多樣性和物種豐富度越高時,作物抗逆能力就越強[51]。本研究Alpha 多樣性結(jié)果分析表明,倒春寒改變了小麥根際土壤真菌物種多樣性與豐富度。其原因可能是倒春寒脅迫對小麥植株地上地下部的生長產(chǎn)生了不利影響,從而使得不同處理間小麥根系分泌物發(fā)生了改變,進而改變了根際微生物生態(tài)環(huán)境,并形成與之相適應(yīng)的真菌群落,復雜的微生物群落可能提高了根際土壤微生物的整體代謝活性,促進了真菌群落結(jié)構(gòu)多樣化的形成[18]。大量研究表明,在特定的脅迫環(huán)境中作物根系通過分泌一系列物質(zhì)誘導菌群繁殖[52],并招募能夠緩解自身脅迫壓力的特定微生物種群聚集于根際[53]。毛夢雪等[54]研究指出植物根系分泌物與植物激素在非生物脅迫下協(xié)同作用,提高根際微生物活性,改善植物生長并提高植物脅迫耐受能力。姜麗娜等[55]研究表明一定的低溫脅迫下小麥根系分泌更多的可溶性蛋白、可溶性糖及總酚,這些物質(zhì)能為根際微生物的生長和繁殖提供充足的營養(yǎng)促進其生長[56],影響土壤微生物種類、數(shù)量及其在植物根際的分布[57],從而緩解逆境脅迫對小麥造成的損傷。本研究中根際土壤真菌群落物種多樣性與豐富度的變化也體現(xiàn)了小麥對環(huán)境變化的適應(yīng)能力。此外,本研究發(fā)現(xiàn)隨倒春寒脅迫程度增強,抗倒春寒性弱的XM 較抗倒春寒性強的YN 根際土壤中真菌多樣性和豐富度變化更大,這可能是因為抗倒春寒性弱的小麥品種應(yīng)激效應(yīng)更為劇烈,其根系分泌物中可溶性蛋白、可溶性糖等物質(zhì)含量增加,為微生物提供更多的底物,促進了微生物的生長繁殖。不同根際分泌物的種類、含量及土壤酶活性會影響根際微生物數(shù)量及群落結(jié)構(gòu),因此后期將進一步研究探討倒春寒脅迫下根際土壤酶活性的變化及對小麥根系分泌物種類和含量的影響,以及小麥根系活力的動態(tài)變化規(guī)律,從根土環(huán)境出發(fā)深入探究“根系-土壤-微生物”交互系統(tǒng)對倒春寒的響應(yīng)。

4 結(jié)論

1)倒春寒降低開花期小麥地上、地下部干物質(zhì)積累,同時使根冠比升高,其對抗倒春寒性弱的XM影響大于抗倒春寒性強的YN。

2)倒春寒改變了小麥根際土壤真菌的群落結(jié)構(gòu),使子囊菌門相對豐度顯著升高,而被孢霉目、被孢霉科、被孢霉屬相對豐度顯著降低,且隨脅迫程度增強XM 的下降幅度更大。抗倒春寒性強的品種YN 中傘菌綱真菌的相對豐度顯著高于抗倒春寒性弱的XM。

3)倒春寒脅迫對小麥根際土壤真菌群落多樣性與豐富度影響顯著,同時改變不同生態(tài)功能群的占比。隨倒春寒脅迫程度增強,抗倒春寒性弱的XM根際土壤中真菌多樣性和豐富度較抗倒春寒性強的YN 變化更劇烈。