覆膜對盆栽牡丹根際基質酶活性和微生物多樣性的影響

關鍵詞：覆膜；盆栽牡丹；根際基質；酶活性；微生物多樣性

中圖分類號：S154.3：S685.11 文獻標識號：A 文章編號：1001-4942（2024）06-0075-06

植物生長發(fā)育受其根際環(huán)境影響，根際土壤微生物群落結構的組成對維持生態(tài)系統(tǒng)平衡具有重要作用。植物與根際微生物之間存在多層次、多方面的相互作用，對調節(jié)植物生長發(fā)育具有重要的生態(tài)功能。根際微生物多樣性及群落結構變化能夠影響植物的生理過程，如分泌、光合、呼吸等，進而影響植物的生長發(fā)育及根系功能等。研究表明，根際細菌和放線菌數(shù)量的增加可提高土壤肥力、促進植物根系發(fā)育及養(yǎng)分吸收。

農業(yè)環(huán)境對于農作物生產(chǎn)結果具有決定性作用。覆膜技術已被證實對作物產(chǎn)量和水分利用效率具有顯著影響，能改變土壤酸堿度，為微生物提供適宜的生存環(huán)境，進而改變土壤中微生物群落和酶活性。近年來，已有多項研究報道了根際微生物如何通過多種途徑促進植物生長和發(fā)育，包括養(yǎng)分轉化、調節(jié)植物激素水平等。此外，根際微生物之間也可以通過信號傳遞相互作用，調控植物生長發(fā)育。這些研究為深入理解根際微生物與植物之間的相互作用提供了新的視角。目前對容器覆膜栽培植物的根際環(huán)境變化了解甚少，因而，分析覆膜狀態(tài)下根際基質微生物多樣性和酶活性的變化，對于改善盆栽植物基質環(huán)境狀態(tài)具有重要意義。

牡丹花大、色艷，有“花中之王”之譽，具有很高的觀賞價值、經(jīng)濟價值和藥用價值。然而，地栽牡丹受地域限制，無法隨時隨地觀賞。因此，將牡丹移栽至容器中，升級栽培基質，改善栽培環(huán)境，促進根系生長，成為當前研究熱點。本研究在不同季節(jié)對盆栽牡丹植株進行覆膜處理，并與不覆膜處理進行比較，研究其根際基質酶活性和微生物群落結構變化，為盆栽牡丹的生產(chǎn)與推廣提供參考。

1材料與方法

1.1試驗設計

試驗在河南省洛陽市孟津區(qū)牡丹種植基地（34°84′N，112°42′E）進行，2020年10月18日選取大小均一的三年生嫁接苗牡丹‘洛陽紅’，經(jīng)平茬、修根后進行容器栽培種植。栽培容器內徑22 cm，高26 cm。栽培基質由草炭和羊糞混合腐熟制成。試驗設置春季、夏季分別不覆膜和容器上方覆蓋白色薄膜共4個處理：T0（春季對照）、Tl（春季覆白膜）、SO（夏季對照）、S1（夏季覆白膜）。各處理均常規(guī)化管理，即定期澆水、定量施肥，同時觀察和記錄盆栽牡丹植株生長狀況。

1.2樣品采集及處理

分別于2021年春季（4月13日）和夏季（6月26日）采集盆栽牡丹根際基質樣品。每個處理分別選取6株作為生物學重復，抖落附著在根系上的大塊基質后使用無菌刷輕輕掃落并收集根際基質。將基質樣品分為兩份，一份風干后過20目篩測定基質酶活，另一份用液氮冷凍后測定基質微生物。

1.3基質酶活測定

盆栽牡丹根際基質酶活性的測定參考關松蔭編著的《土壤酶及其研究法》。脲酶活性采用苯酚一次氯酸鈉比色法，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法，中性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法，過氧化氫酶活性采用紫外分光光度法測定。

1.4基質微生物測序

通過DNA抽提試劑盒提取基因組DNA，使用瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA的純度和濃度，使用帶Barcode的特異引物序列、Takara公司的TakaraEx Taq高保真酶進行PCR擴增，純化后等量混樣，上機測序。16S rRNA多樣性鑒定對應區(qū)域V3～V4區(qū)引物為343F（5’-TACGGRAGGCAG-CAG-3’）和798R（5’-AGGGTATCTAATCCT-3’）。原始數(shù)據(jù)為FASTQ格式。數(shù)據(jù)下機后，使用cutadapt軟件去除引物序列，使用DADA2進行質控分析，得到擴增序列變體（Amplicon sequence variants，ASV）豐度表格。使用QIIME 2挑選出各個ASV的代表序列，與數(shù)據(jù)庫進行比對注釋。16S rRNA使用Unite數(shù)據(jù)庫比對，物種比對注釋使用q2-feature-classifier軟件默認參數(shù)進行分析。16SrRNA建庫及測序委托上海歐易生物醫(yī)學科技有限公司完成。

1.5數(shù)據(jù)處理與分析

使用IBM SPSS Statistics V21.0軟件進行差異顯著性分析，采用Microsoft Excel 2021和GraphPad Prism 8.0軟件繪制圖表。

2結果與分析

2.1覆膜對盆栽牡丹根際基質酶活性的影響

覆膜對盆栽牡丹根際基質酶活性有顯著影響。相較于春季，夏季脲酶和過氧化氫酶活性均顯著下降，蔗糖酶活性顯著升高。相對于不覆膜，覆膜處理下根際基質酶活性均有所提高，其中中性磷酸酶活性變化最顯著，T1、S1分別較T0、S0提高182.70%、136.78%；脲酶活性變化次之，T1、Sl分別較T0、S0顯著提高43.17%、97.66%（圖1）。結果表明，覆膜形成了更加適宜基質酶生存的根際環(huán)境，有利于根際基質酶的活化。

2.2覆膜對盆栽牡丹基質微生物群落結構的影響

不同處理間共有和特有ASVs數(shù)目有所差異（圖2）。不同處理間共有的ASV數(shù)目為431個。T0和T1中分別有2610個和2861個ASV，S0和S1中分別有2769個和2983個。表明ASV數(shù)目夏季多于春季，覆膜處理多于不覆膜。

覆膜影響了盆栽牡丹根際基質細菌在不同分類水平上的群落結構。在門水平上（圖3），不覆膜條件下優(yōu)勢菌群為厚壁菌門（Firmicutes）、擬桿菌門（Bacteroidota）、變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）；覆膜處理下，根際基質中菌群相對豐度發(fā)生改變，芽單胞菌門（Gemmati-monadota）和變形菌門相對豐度有所提升：季節(jié)因素對擬桿菌門相對豐度影響不明顯。在屬水平上（圖4），不覆膜條件下梭菌屬（Faecalibacterium）、擬桿菌屬（Bacteroides）、布勞特氏菌屬（Blautia）和放線菌屬（Collinsella）為優(yōu)勢菌屬，組內菌群結構較穩(wěn)定；覆膜處理改變了組內菌群結構，梭菌屬和擬桿菌屬的相對豐度發(fā)生變化，其中夏季覆膜處理中克雷伯氏菌屬（Klebsiella）、Muribaculaceae和大腸埃希菌屬-志賀氏菌屬（Escherichia-Shigel-la）相對豐度變化明顯。說明覆膜改變了盆栽牡丹不同分類水平上優(yōu)勢菌群的相對豐度。

2.3覆膜對盆栽牡丹基質微生物多樣性的影響

盆栽牡丹基質細菌群落Alpha多樣性分析（表1）表明，不覆膜條件下，夏季菌群豐度相較春季有所提升，但菌群多樣性下降。春季，T1的ACE、Chaol、Simpson和Shannon指數(shù)均高于T0，說明春季覆膜對基質細菌豐度與多樣性影響較大；夏季，覆膜可提高根際菌群的多樣性，但降低了菌群豐度。

對基質細菌群落Beta多樣性進行分析，從PCoA圖（圖5A）可以看出，不同季節(jié)間的樣本存在顯著差異；春季，T0與T1的距離相似，表明兩個處理組間生存環(huán)境較為接近：夏季，S0組內無明顯差異，S1組內差異較大，說明覆膜有改變細菌多樣性的趨勢。NMDS分析結果（圖5B）與PCoA分析結果相似，不同季節(jié)間距離差異較大，同一季節(jié)不同處理間距離較小。結果說明，季節(jié)對細菌Beta多樣性影響較大，而覆膜有改變細菌距離的趨勢。

3討論與結論

伴隨現(xiàn)代生物信息學技術的高速發(fā)展，高通量技術能夠準確、系統(tǒng)、全面地研究土壤微生物群落信息，已廣泛應用于生物多樣性及群落分析研究中。根際是指植物根系與土壤微生物之間相互作用所形成的微生態(tài)環(huán)境，在植物生長和發(fā)育過程中起著重要作用。微生物作為植物根際的重要組成部分，其群落多樣性反映群落總體的動態(tài)變化，而其多樣性、豐富度和均勻度等能夠影響土壤質量進而影響植物生長。覆膜處理可以改變植物根際基質中的細菌群落組成結構，進而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的平衡，此外，不同季節(jié)覆膜對基質微生物群落和酶活性的影響也不同，基質中的物種多樣性和豐富度以及細菌群落結構也會相應發(fā)生變化。

土壤酶與微生物之間關系密切，對生態(tài)系統(tǒng)的平衡起重要作用，覆膜技術可以穩(wěn)定根際環(huán)境，為土壤酶提供更適宜的環(huán)境條件。本研究表明，覆膜對根際基質脲酶、蔗糖酶、中性磷酸酶和過氧化氫酶活性的影響不同，但均顯著高于不覆膜，與胡慶蘭等的研究結果一致。覆膜還會影響土壤細菌多樣性、豐富度與群落結構。胡志娥等研究發(fā)現(xiàn)，長期覆膜對土壤中優(yōu)勢菌群的影響較大。本研究表明，覆膜改變了盆栽牡丹不同水平群落結構優(yōu)勢菌群的相對豐度，厚壁菌門、擬桿菌門、變形菌門、放線菌門和芽單胞菌門為優(yōu)勢菌群，這與潘志針等的報道一致；在屬水平上，克雷伯氏菌屬、Muribaculaceae和大腸埃希菌屬-志賀氏菌屬相對豐度變化明顯。覆膜可增加或降低某些土壤微生物量，改變微生物群落結構組成和多樣性。本研究發(fā)現(xiàn)，春季覆膜可以提高盆栽牡丹根際基質中微生物的豐富度和多樣性，而夏季覆膜降低了微生物的豐富度，說明不同季節(jié)覆膜條件下根際環(huán)境的變化影響到細菌群落多樣性。

綜上，相較于不覆膜，覆膜處理為盆栽牡丹提供了更適宜的基質微環(huán)境，進一步提高了根際基質中的酶活性，改變了優(yōu)勢菌群的分布，增加了微生物多樣性與豐富度，可為覆膜在盆栽牡丹中的應用與推廣提供理論基礎與科學依據(jù)，對優(yōu)化盆栽牡丹生產(chǎn)技術、提高盆花產(chǎn)量和質量具有重要意義。