校園三種植物的根系微生物多樣性調(diào)查

◆北京市第三十五中學(xué) 姜渙麟 侯晉之 尹暢

每一克土壤中都含有種類豐富的微生物，細(xì)菌、古菌、真菌、病毒等以各種生存方式與人類共生。由于全球氣候變暖加劇和人類活動(dòng)的頻繁干擾，土壤中的生物多樣性受到威脅。

校園內(nèi)各種各樣的植物都有發(fā)達(dá)的根系，植被在與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)與能量流動(dòng)過程中，對(duì)土壤微生物產(chǎn)生了重要的影響。微生物結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此易受環(huán)境的影響而發(fā)生相互作用。

我們對(duì)校園中較典型與常見的三種植物——杏樹、竹子、萱草的根系土壤進(jìn)行取樣，并對(duì)其與微生物多樣性之間的關(guān)系進(jìn)行了探究。

一、研究目的

到目前為止，對(duì)植物根系土壤微生物多樣性分析的實(shí)驗(yàn)雖然有很多，但對(duì)校園內(nèi)植物的相關(guān)研究很少。我們希望調(diào)查校園環(huán)境中多種植物根系微生物的多樣性，探究其與植物種類及校園環(huán)境的關(guān)系，改善校園植被的培育方式。

二、實(shí)驗(yàn)步驟

（一）采集土壤樣品

我們?cè)趯W(xué)校找到杏樹、竹子、萱草三種植物，對(duì)其地下10 厘米處的根系土壤進(jìn)行采樣，分別放入干凈的一次性紙杯中，做好標(biāo)記，密封保存。

（二）配制培養(yǎng)基，制作固體平板

1.馬鈴薯培養(yǎng)基（分離真菌）

首先制作20%馬鈴薯煮汁：取馬鈴薯200 g，洗凈去皮切片，加蒸餾水1000 mL，用電磁爐煮沸30 min，然后用紗布過濾取汁。

取葡萄糖1 g、磷酸氫二鉀0.5 g、碳酸鈣5 g、瓊脂4 g、上述馬鈴薯煮汁100 mL、蒸餾水100 mL，混合均勻。

2.高氏一號(hào)培養(yǎng)基（分離放線菌）

取硝酸鉀0.2 g、磷酸氫二鉀0.1 g、硫酸鎂0.1 g、氯化鈉0.1 g、硫酸亞鐵0.002 g、可溶性淀粉4 g、瓊脂4 g、蒸餾水200 mL，混合均勻。

3.牛肉湯培養(yǎng)基（分離細(xì)菌）

取牛肉浸粉1 g、蛋白胨2 g、氯化鈉1 g、瓊脂4 g、蒸餾水200 mL，充分混合均勻，最終pH 值為7.2～7.4。

4.將三種培養(yǎng)基分別裝入三角瓶中，115 ℃環(huán)境下高壓滅菌30 min。

5.趁熱使用滅菌后的固體培養(yǎng)基，或用微波爐將冷卻后的固體培養(yǎng)基加熱熔化，在超凈工作臺(tái)制作固體平板，冷卻后密封保存。

（三）分離土壤微生物

1.每種土壤樣品各取10 g，篩去大塊固體顆粒后倒入三角瓶，加入無菌蒸餾水75 mL，放入搖床中振蕩15 min 后取出，等待雜質(zhì)沉淀后吸取上清液，作為含有根系微生物的土壤浸出液。

2.利用平板劃線法，將每種土壤浸出液分別在三種培養(yǎng)基（馬鈴薯培養(yǎng)基、高氏一號(hào)培養(yǎng)基、牛肉湯培養(yǎng)基）的固體平板上進(jìn)行微生物分離，以便分別篩選真菌、放線菌及細(xì)菌。重復(fù)三次平板劃線實(shí)驗(yàn)，將所有劃線后的平板在室溫環(huán)境中靜置培養(yǎng)一周后拍照觀察，并記錄不同形態(tài)、類型的菌落。

（四）測(cè)定土壤浸出液的理化性質(zhì)

1.三種土壤浸出液各取20 mL，依次倒入小燒杯。

2.使用哈希HQ30d 多參數(shù)數(shù)字化分析儀，分別測(cè)量土壤浸出液的pH值以及電導(dǎo)率。

三、結(jié)果與分析

（一）平板劃線法中的菌落分布

我們用校園三種植物的根系土壤浸出液，在不同用途的固體培養(yǎng)基平板上劃線，從而將植物的根系微生物依據(jù)其不同的營養(yǎng)需求進(jìn)行分離篩選。

圖1 校園三種植物的根系土壤浸出液培養(yǎng)出的菌落

我們根據(jù)外觀差異對(duì)菌落進(jìn)行初步分類發(fā)現(xiàn)，平板培養(yǎng)后產(chǎn)生了不同的真菌、細(xì)菌和放線菌菌落，說明每種植物根系土壤浸出液中的微生物多樣性都非常豐富。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中我們還發(fā)現(xiàn)，三種植物根系土壤中的微生物種類有較大差異，這可能是因?yàn)椴煌参锔档姆置谖锊煌Ｍ瑫r(shí)我們還注意到，竹子的根系土壤中微生物種類較少，推測(cè)這一現(xiàn)象有可能與竹子的抑菌性有關(guān)。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中，我們還計(jì)劃進(jìn)行分子生物學(xué)菌種鑒定，以期得到更準(zhǔn)確的微生物多樣性調(diào)查結(jié)果。

（二）土壤浸出液的pH 值和電導(dǎo)率

使用哈希HQ30d 多參數(shù)數(shù)字化分析儀，分別測(cè)定校園三種植物根系土壤浸出液的pH 值以及電導(dǎo)率，結(jié)果如表1 所示。

表1 校園三種植物根系土壤浸出液的pH 值和電導(dǎo)率測(cè)定結(jié)果

對(duì)土壤浸出液pH 值的比較顯示，杏樹的根系土壤浸出液偏中性，而竹子和萱草的根系土壤浸出液偏堿性，且后兩者差異很小。對(duì)土壤電導(dǎo)率的分析發(fā)現(xiàn)，杏樹的根系土壤浸出液導(dǎo)電性較強(qiáng)，說明杏樹的根系土壤浸出液中的鹽離子更豐富。

四、結(jié)論

（一）校園植物的根系土壤中微生物多樣性較豐富，培養(yǎng)出的菌落大多為細(xì)菌和真菌。

（二）不同植物根系土壤中的微生物多樣性不同，說明植物種類會(huì)影響其根系微生物的種類，它們之間很可能相互影響。

（三）本實(shí)驗(yàn)中，竹子的根系土壤中微生物多樣性較弱，推測(cè)也許與竹子的抑菌性有關(guān)。

（四）本實(shí)驗(yàn)中，土壤pH 值、電導(dǎo)率與根系土壤中微生物多樣性的關(guān)系不明顯。

圖2 作者討論項(xiàng)目PPT 的制作

五、展望

（一）通過對(duì)校園植物根系土壤微生物進(jìn)行分子生物學(xué)菌種鑒定及基因測(cè)序，進(jìn)一步獲得更準(zhǔn)確的根系土壤微生物多樣性信息。

（二）通過對(duì)植物和土壤微生物協(xié)同作用的了解，有針對(duì)性地在校園土壤中施加菌肥，改善土壤的菌群環(huán)境，增加土壤中的營養(yǎng)成分，助力校園植物生長(zhǎng)。

圖3 作者與指導(dǎo)老師詹爭(zhēng)艷（左一）合影

作者心聲

作為園藝愛好者，我們從小就對(duì)土地有著深厚的感情，感謝學(xué)校為我們提供了從科學(xué)角度探究土壤的機(jī)會(huì)。

在探究過程中，我們遇到了很多坎坷。一開始，我們拿不準(zhǔn)研究的方向：采集哪幾種土樣？測(cè)量哪些數(shù)據(jù)？使用哪些儀器？……主題確定后，我們又遇到了更多的困難，如多次嘗試后仍無法獲得真菌在顯微鏡下的高質(zhì)量微觀圖像等。通過及時(shí)與指導(dǎo)老師、小組成員進(jìn)行討論，我們很快明確了探究思路和方法，避免了很多彎路。

通過這次探究，我們變得更有耐心，也深刻體會(huì)到，做探究要遵循科學(xué)性。

專家點(diǎn)評(píng)

作者通過培養(yǎng)和分析不同校園植物根系土壤樣本,初步探究了根系土壤微生物的組成和多樣性。本文選題新穎，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理、系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了較好的定量分析，文字描述詳細(xì)，實(shí)驗(yàn)過程闡述清晰，文字表達(dá)能力較好，提出了進(jìn)一步的研究方向，展現(xiàn)了一定的科研視野。

但本次探究的樣本量較少，結(jié)果可擴(kuò)展性有限；缺乏對(duì)培養(yǎng)菌落的微觀形態(tài)描述和定性分析；對(duì)結(jié)果的討論不夠充分，沒有深入分析不同植物所處環(huán)境的土壤中微生物出現(xiàn)差異的原因；對(duì)部分實(shí)驗(yàn)步驟描述不夠具體。如果能增加樣本量，豐富結(jié)果分析，增加參考文獻(xiàn)，報(bào)告的整體邏輯性與科學(xué)性會(huì)更強(qiáng)。