俎千惠,王保戰(zhàn),賈仲君,林先貴,馮有智,*

1 中國科學(xué)院南京土壤研究所,土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210008 2 中國科學(xué)院大學(xué)研究生院, 北京 100049

水稻土中紫色光合細(xì)菌沿緯度梯度的空間分異特征

俎千惠1,2,王保戰(zhàn)1,賈仲君1,林先貴1,馮有智1,*

1 中國科學(xué)院南京土壤研究所,土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210008 2 中國科學(xué)院大學(xué)研究生院, 北京 100049

紫色光合細(xì)菌由于其代謝途徑的多樣性,在環(huán)境中廣泛分布,是生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)的參與者和推動(dòng)者之一。但是,水稻土中紫色光合細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的空間分異卻鮮有報(bào)道?；诖?沿我國溫度梯度帶(緯度梯度：28.38° N—47.43° N),采集了8個(gè)典型水稻土,利用PCR-DGGE指紋圖譜和系統(tǒng)發(fā)育樹分析揭示不同地點(diǎn)水稻土中紫色光合細(xì)菌群落的組成；結(jié)合多個(gè)環(huán)境因子,利用生物信息學(xué),典范對應(yīng)分析(Canonical Correspondence Analysis, CCA)和最小判別效應(yīng)分析(Cladogram, LDA)明確水稻土中紫色光合細(xì)菌的空間分異規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)我國8個(gè)典型水稻土中紫色光合細(xì)菌主要由變形菌門(Proteobacteria)的α和β這兩個(gè)分支組成,主要為紫色非硫細(xì)菌；pH和緯度都是驅(qū)動(dòng)水稻土中紫色光合細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分異的關(guān)鍵因子。該認(rèn)知不僅有助于更好地揭示稻田關(guān)鍵功能微生物群的生物地理學(xué)分布,還有助于進(jìn)一步探究我國稻田生態(tài)系統(tǒng)有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化的時(shí)空差異。

水稻土；紫色光合細(xì)菌；PCR-DGGE指紋圖譜；典范對應(yīng)分析；群落組成空間分異

光合微生物是一類地球上最早出現(xiàn)的具有原始光能合成體系的原核生物。紫色光合細(xì)菌是光合微生物的重要組成部分,也是生態(tài)系統(tǒng)中一類重要的微生物[1]。紫色光合細(xì)菌具有極其多樣的碳源代謝能力,它們可以代謝幾乎所有的發(fā)酵產(chǎn)物、CO2、小分子有機(jī)酸、甚至CH4[2]。CO2是紫色光合細(xì)菌平衡氧化還原電位所必需的電子受體,也是紫色光合細(xì)菌可利用的碳源之一。大部分紫色光合細(xì)菌以Calvin-Benson循環(huán)吸收CO2,少部分利用C4循環(huán)[3]。此外,有機(jī)物也是影響紫色光合細(xì)菌生長的一個(gè)重要因素：紫色光合細(xì)菌的環(huán)式光合磷酸化需要外源性的有機(jī)物或硫化物補(bǔ)充電子以合成NAD(P)H；同時(shí),有機(jī)物又是紫色光合細(xì)菌的主要碳源。紫色光合細(xì)菌喜好的有機(jī)物為各類小分子有機(jī)酸,如甲酸、乙酸、丙酮酸、蘋果酸等。極其多樣的碳源代謝能力使紫色光合細(xì)菌廣泛存在于各個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中,并成為碳循環(huán)的主要參與者和推動(dòng)者[4]；同時(shí),紫色光合細(xì)菌具有固氮能力,可以給生態(tài)系統(tǒng)提供氮素,進(jìn)而提高土壤肥力[5]。

目前對于紫色光合細(xì)菌的研究多集中在海洋生態(tài)系統(tǒng),主要以編碼光吸收系統(tǒng)中保守性蛋白的結(jié)構(gòu)基因?yàn)樯飿?biāo)記物對紫色光合細(xì)菌進(jìn)行研究,例如廈門大學(xué)焦念志等利用pufM基因?qū)χ袊睾Ｋ蜻M(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)海水樣本中含有豐富的pufM基因型,主要為類γ-變形菌綱pufM基因型(34.5%)[6]。隨后,焦念志等又利用pufM基因全面研究了太平洋、大西洋和印度洋中紫色光合細(xì)菌的豐度和多樣性變化[7],發(fā)現(xiàn)各大洋水體中都有豐富的資源,并且其海水營養(yǎng)狀態(tài)和其豐度成正相關(guān),而與其多樣性成負(fù)相關(guān)。Karr等[8]利用pufM基因?qū)δ蠘O湖水中紫色光合細(xì)菌研究發(fā)現(xiàn)湖水中存在豐富的紫色非硫細(xì)菌資源,并沿水體深度呈現(xiàn)不同的群落結(jié)構(gòu)。相對于水生生態(tài)系統(tǒng),陸地生態(tài)系統(tǒng)中紫色光合細(xì)菌的研究相對較少。其部分原因是紫色光合細(xì)菌是厭氧微生物,很少存活在有氧環(huán)境中,且不能發(fā)揮生態(tài)功能。但是,紫色光合細(xì)菌仍可以在陸地生態(tài)系統(tǒng)中合適的環(huán)境下生長。例如本研究組利用pufM基因?qū)Ρ睒O地區(qū)33個(gè)土壤樣品進(jìn)行紫色光合細(xì)菌多樣性的研究,發(fā)現(xiàn)由于常年處于冰封的環(huán)境,北極土壤中也含有豐富的紫色光合細(xì)菌資源,主要為紫色非硫細(xì)菌[9]。此外,水稻土也是紫色光合細(xì)菌喜好的生存場所。稻田土壤富含有機(jī)質(zhì),同時(shí)由于其耕作方式而飽含水分,因此水稻土中含有數(shù)量眾多,多樣性豐富的紫色光合細(xì)菌[10]。在水稻土中,紫色光合細(xì)菌由于自身含有多種生物類激素,能夠作為一種生物肥料促進(jìn)水稻的增產(chǎn)[11]。此外,紫色光合細(xì)菌還參加水稻土中多個(gè)元素的循環(huán)過程。Byrne等[12]發(fā)現(xiàn)紫色光合細(xì)菌,Rhodopseudomonas作為鐵氧化細(xì)菌而參與鐵的氧還過程。本課題組前期的研究發(fā)現(xiàn)水稻土中紫色光合細(xì)菌驅(qū)動(dòng)著一個(gè)自下而上的微生物食物網(wǎng)絡(luò),通過該食物網(wǎng)絡(luò),土壤微生物驅(qū)動(dòng)著C、N等物質(zhì)循環(huán)過程[13]。然而,目前對水稻土中紫色光合細(xì)菌群落特性,特別是大尺度下的其地理學(xué)分布的認(rèn)識(shí)還嚴(yán)重不足。而該認(rèn)知能夠幫助人們更好的揭示微生物所驅(qū)動(dòng)的稻田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分和物質(zhì)循環(huán)過程。

我國地域遼闊,從南到北呈現(xiàn)明顯的溫度梯度帶,且土壤類型眾多,決定了我國土壤碳含量及其轉(zhuǎn)化功能存在巨大的時(shí)空變異[14-15]。土壤中有機(jī)質(zhì)降解和轉(zhuǎn)化由土壤微生物參與和驅(qū)動(dòng),因此在我國溫度梯度帶上,參與土壤有機(jī)質(zhì)降解和轉(zhuǎn)化的微生物群落結(jié)構(gòu)和功能也必將存在分異和不同。本課題組前期的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn),處于稻田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)末端的產(chǎn)甲烷古菌在地理學(xué)分布已呈現(xiàn)一定的規(guī)律性變化[16]。這也預(yù)示著同為稻田生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)末端的紫色光合細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)也將存在時(shí)空分異?；谝陨险J(rèn)知和前期的工作結(jié)果,本研究沿我國緯度梯度變化,從北向南采集了8種典型水稻土(黑龍江海倫、江蘇揚(yáng)州、江蘇常熟、四川資陽、浙江嘉興、湖南古市、湖南桃源和江西鷹潭),利用PCR-DGGE指紋圖譜和系統(tǒng)發(fā)育分析揭示不同地點(diǎn)水稻土中紫色光合細(xì)菌群落組成,結(jié)合環(huán)境因子,利用生物信息學(xué),典范對應(yīng)分析(Canonical Correspondence Analysis, CCA)和最小判別效應(yīng)分析(Cladogram, LDA)明確紫色光合細(xì)菌群落組成的空間分異規(guī)律。

1 材料和方法

1.1 供試土壤信息

采集我國不同緯度的海倫、揚(yáng)州、常熟、資陽、嘉興、古市、桃源和鷹潭地區(qū)8個(gè)典型水稻土,如表1所示。每個(gè)地區(qū)水稻種植年限都超過50a。于2011年在鷹潭、桃源、古市、嘉興和資陽晚稻收獲期后一周內(nèi)采樣,海倫、揚(yáng)州和常熟為水稻季收獲期后一周內(nèi)采樣。每個(gè)采樣點(diǎn)相隔20 m,共采樣3處。各個(gè)采樣點(diǎn)隨機(jī)取6個(gè)0—5 cm的水稻土,去除其中的植物殘?bào)w、根系和石頭后充分混勻。用于分子實(shí)驗(yàn)的土壤樣品于-40℃保藏,用于土壤理化性質(zhì)測定的土壤樣品經(jīng)自然風(fēng)干后過20目(0.90 mm孔徑)分樣篩備用。

1.2 土壤理化性質(zhì)的測定

利用酸度計(jì)測定土壤的pH值(水土比2.5∶1)；分別利用靛酚藍(lán)比色法、鍍銅鎘還原-重氮化偶合比色法和凱氏定氮法測定土壤的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮含量；土壤有機(jī)質(zhì)含量采用H2SO4-K2Cr2O7氧化-容量法進(jìn)行測定[17]；各樣點(diǎn)年平均溫度參考各地方氣象臺(tái)信息。

1.3 土壤總DNA提取

土壤總DNA采用FastDNA SPIN Kit for Soil (MP Biomedicals, Santa Ana, CA)試劑盒和Fast PrepTMFP120核酸提取儀提取。按照試劑盒說明書提取DNA,并將提取到的DNA溶解于75 μL的ddH2O,保存于-20℃。

1.4 PCR-DGGE指紋圖譜分析1.4.1 PCR擴(kuò)增

紫色光合細(xì)菌光反應(yīng)中心蛋白M亞基編碼基因片段pufM基因的特異性引物對pufM557F (5″-CGCACCTGGACTGGAC- 3″),pufM750R (5″-CCCATGGTCCAGCGCCAG AA- 3″)進(jìn)行pufM基因擴(kuò)增[18]。PCR反應(yīng)用試劑盒PremixTaq? Version 2.0 Kit (TaKaRa),50 μL的PCR體系添加50 ng的DNA模板量。PCR反應(yīng)條件：94℃ 3 min；94℃ 30 s,56℃ 30 s,72℃ 30 s,30個(gè)循環(huán)；72℃ 10 min。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物在1.2% (W/V) Tris-acetate- EDTA (TAE)瓊脂糖凝膠中電泳驗(yàn)證。PCR產(chǎn)物保存于4℃。

1.4.2 變性梯度凝膠電泳(DGGE)

采用BIO-RAD Dcode系統(tǒng)(Bio-Rad, CA, USA)對紫色光合細(xì)菌pufM基因片段PCR產(chǎn)物進(jìn)行DGGE指紋圖譜電泳。使用8%聚丙烯酰胺凝膠,電泳緩沖液為1×TAE,變性梯度為45%—70%；PCR產(chǎn)物上樣量為200 ng DNA；電壓80 V,60℃,電泳13 h；用SYBR Green I (Invitrogen) (1:10000,V/V)染色30 min,后用Gel DocTMEQ imager (Bio-Rad)成像拍照[19]。

將DGGE特征條帶割膠,放入含有40 μL去離子水的1.5 mL的離心管中,置于4℃冰箱過夜。以此溶液為模板,再次使用pufM基因引物對其進(jìn)行擴(kuò)增。PCR擴(kuò)增體系和反應(yīng)條件如上。將擴(kuò)增后的PCR產(chǎn)物進(jìn)行DGGE驗(yàn)證,以確定各個(gè)pufM基因型的位置和純度。如不符,繼續(xù)切帶、擴(kuò)增和驗(yàn)證。

1.5 克隆測序和構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹

將驗(yàn)證后的pufM基因片段PCR擴(kuò)增產(chǎn)物連接到pMD 18-T vector (TaKaRa),并轉(zhuǎn)化到EscherichiacoliDH5α感受態(tài)細(xì)胞中,在含有X-gal、IPTG和氨芐青霉素的LB培養(yǎng)基上培養(yǎng)過夜。挑取具有氨芐青霉素抗性的白色轉(zhuǎn)化子,采用T載體通用引物M13進(jìn)行菌落PCR,擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)1.2% (W/V)瓊脂糖凝膠電泳檢測是否為陽性克隆。將含有正確克隆子的細(xì)胞擴(kuò)大液交由上海Invitrogen公司進(jìn)行測序。將測序得到的序列在National Center for Biotechnology Information (NCBI)網(wǎng)站上BLAST比對,進(jìn)行同源性檢索。利用Cluster W軟件對本實(shí)驗(yàn)獲得的產(chǎn)甲烷古菌基因序列以及NCBI中親緣性最高的基因序列進(jìn)行多重序列比對,根據(jù)N-J(Neighbor-Joining)法,利用MEGA 4.0軟件構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用SPSS 13.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并使用Tukey檢驗(yàn)進(jìn)行多重比較(P<0.05)。用Quantity One 4.4.0(Bio-Rad)對紫色光合細(xì)菌DGGE指紋圖譜進(jìn)行數(shù)字化分析；利用軟件Canoco for Windows(version 4.5)進(jìn)行紫色光合細(xì)菌群落組成分異和各個(gè)環(huán)境因子變化相關(guān)性的典范對應(yīng)分析(Canonical Correspondence Analysis, CCA)；在http://huttenhower.sph.harvard.edu/galaxy/網(wǎng)站上進(jìn)行最小判別效應(yīng)分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 土壤理化性質(zhì)分析

8個(gè)地區(qū)土壤樣品的理化性質(zhì)如表1所示：資陽的pH和硝態(tài)氮含量最高,而pH最低的是桃源地區(qū),硝態(tài)氮最低的是鷹潭；銨態(tài)氮、全氮和有機(jī)質(zhì)的分布相似,最高值都出現(xiàn)在古市,最低值則出現(xiàn)在海倫；而在碳氮比方面,海倫的比值最大,嘉興和資陽的比值最小。

表2 8個(gè)地區(qū)水稻土化學(xué)特性

數(shù)據(jù)為3個(gè)重復(fù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,不同字母顯示數(shù)據(jù)差異顯著性(P<0.05)

2.2 8個(gè)地區(qū)水稻土中紫色光合細(xì)菌群落組成的DGGE指紋圖譜

PCR-DGGE指紋圖譜用于分析8個(gè)地區(qū)水稻土中紫色光合細(xì)菌群落組成的差異(圖1)。通過比較8個(gè)地區(qū)樣品的條帶數(shù)量和光密度值可以看出各個(gè)地區(qū)的條帶數(shù)量和強(qiáng)度(豐度)差異明顯。其中資陽地區(qū)的條帶數(shù)量最豐富,共有28個(gè)優(yōu)勢條帶,而鷹潭地區(qū)的條帶數(shù)量最少,優(yōu)勢條帶只有7個(gè)。此外,不同條帶在各個(gè)樣品間的分布和強(qiáng)度也不盡相同,例如條帶18是8個(gè)地區(qū)的共有條帶；而條帶1是海倫地區(qū)所特有的,條帶2是資陽地區(qū)所特有的,條帶3為海倫、揚(yáng)州、常熟、嘉興和古市所共有的。在條帶的光密度上,條帶4、8、14、24在揚(yáng)州的豐度最高,條帶5、11、22、23、26、28在資陽的豐度最高,條帶6、7、15在海倫的豐度最高,條帶9、12、17、18、20、21、25、27在常熟的豐度最高,條帶10在桃源的豐度最高,條帶13在鷹潭的豐度最高,條帶16在古市的豐度最高。

圖1 pufM基因片段的DGGE指紋圖譜Fig.1 DGGE fingerprinting profiles of pufM genes

2.3 紫色光合細(xì)菌多樣性指數(shù)分析

根據(jù)DGGE指紋圖譜中展示的條帶,對8個(gè)樣品中光合細(xì)菌群落的多樣性進(jìn)行Shannon和Richness指數(shù)分析,結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出,8個(gè)樣品的Shannon多樣性指數(shù)存在差異,其中常熟和揚(yáng)州的Shannon多樣性最高,桃源和鷹潭最低；與之相類似,Richness多樣性指數(shù)也呈現(xiàn)出相同規(guī)律,其中常熟和揚(yáng)州的Richness多樣性指數(shù)最高,而桃源和鷹潭最低。Shannon和Richness多樣性指數(shù)與所有環(huán)境因子均無相關(guān)性。

2.4 紫色光合細(xì)菌系統(tǒng)發(fā)育分析

從系統(tǒng)發(fā)育分析可以看出,8個(gè)地區(qū)的紫色光合細(xì)菌主要隸屬于變形菌門(Proteobacteria)的α和β的這兩個(gè)分支上,紫色非硫細(xì)菌主導(dǎo)水稻土中紫色光合細(xì)菌。其中,8個(gè)地區(qū)所共有的條帶18隸屬于Roseivivax；海倫、揚(yáng)州、常熟、嘉興和古市所共有的條帶3與Rhizobiales的親緣性最高,同時(shí),海倫地區(qū)所特有的條帶1,以及資陽地區(qū)所特有的條帶2都與Rhizobiales的親緣性最高。出現(xiàn)在中緯度地區(qū)的條帶26和28分別隸屬于Rhodobacter和Rhodovulum。

2.5 8個(gè)地區(qū)水稻土中紫色光合細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的CCA分析

利用8個(gè)地區(qū)的紫色光合細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的DGGE圖譜條帶和8個(gè)主要的環(huán)境因子做CCA分析(圖4)。從圖中可以看出,在橫坐標(biāo)上pH是主要的影響因素,貢獻(xiàn)率為29.8%；縱坐標(biāo)上C/N是主要的影響因素,貢獻(xiàn)率為20.5%。溫度、硝態(tài)氮與全氮對紫色光合細(xì)菌的影響方向一致,與緯度因子的影響方向相反。根據(jù)紫色光合細(xì)菌群落組成的相似性,從主要相關(guān)因素pH因子上看,pH值較高的資陽地區(qū)位于左側(cè),pH值較低的桃源和鷹潭位于右側(cè)。C/N較高的海倫、揚(yáng)州位于下部,比值較低的資陽位于圖中的上部。緯度較高的鷹潭、桃源、嘉興和古市聚在一起,緯度較低的常熟、海倫和揚(yáng)州聚在一起。

圖2 紫色光合細(xì)菌Shannon和Richness多樣性指數(shù)分析Fig.2 Purple photosynthetic bacteria Shannon and Richness diversity indices

圖3 8個(gè)地區(qū)水稻土中優(yōu)勢紫色光合細(xì)菌pufM基因片段的系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.3 Phylogenetic analysis showing the relationships of pufM genes in DGGE fingerprinting profiles to the closest relatives in GenBankThe numbers at the nodes indicate the percentages of occurrence in 1000 bootstraped trees. The GenBank accession number of each strain is indicated in parentheses and the scale bar represents 5% sequences difference

2.6 最小判別效應(yīng)分析

將8個(gè)地區(qū)的物種信息進(jìn)行最小判別效應(yīng)分析,結(jié)果如圖5所示。在8個(gè)地區(qū)中海倫、桃源和鷹潭地區(qū)的紫色光合細(xì)菌物種差異最顯著,其中,鷹潭地區(qū)由于具有14個(gè)Unclassified species的優(yōu)勢條帶而與其他地區(qū)相區(qū)別,海倫地區(qū)具有較多的隸屬于Rhizobiales門的優(yōu)勢條帶而與其他地區(qū)相區(qū)別,而桃源地區(qū)由于缺少隸屬于Rhodobacterales門的優(yōu)勢條帶和其他地區(qū)不同。

3 討論

目前,關(guān)于紫色光合細(xì)菌的研究主要集中在水生生態(tài)系統(tǒng),對于陸地生態(tài)系統(tǒng)特別是稻田生態(tài)系統(tǒng)的關(guān)注較少。基于以上原因,本文開展了相關(guān)研究。首先,通過PCR-DGGR指紋圖譜,展示出我國8個(gè)典型水稻土樣品中紫色光合細(xì)菌的群落組成(圖1),以及各自優(yōu)勢物種在數(shù)量和多樣性的差異(圖2)。8個(gè)地區(qū)的紫色光合細(xì)菌主要隸屬于變形菌門(Proteobacteria)的α和β的這兩個(gè)分支上,為紫色非硫細(xì)菌(圖3)。這與本課題組之前的研究結(jié)果一致[18],說明水稻土中的紫色光合細(xì)菌含有豐富的多樣性。紫色光合細(xì)菌主要分為兩大類,紫色非硫細(xì)菌和紫色硫細(xì)菌。前者主要利用有機(jī)質(zhì)異養(yǎng)生長,而紫色硫細(xì)菌主要利用光能自養(yǎng)生長。土壤生態(tài)系統(tǒng)與水生生態(tài)系統(tǒng)相比,富含有機(jī)質(zhì),且日光只能進(jìn)入土壤幾個(gè)厘米,絕大多數(shù)環(huán)境處于黑暗狀態(tài),因此水稻土中紫色光合細(xì)菌主要為α-和β- Proteobacteria類的紫色非硫細(xì)菌,而水生生態(tài)還含有大量γ- Proteobacteria類的紫色光合細(xì)菌[6,20]。紫色非硫細(xì)菌是一類具有重要生態(tài)功能的紫色光合細(xì)菌,例如Rhodobacter和Rhodopseudomonas。例如Byrne等[12]發(fā)現(xiàn)Rhodopseudomonas作為鐵氧化細(xì)菌和Geobacter共同參與鐵的氧還過程；本課題組研究發(fā)現(xiàn)水稻土中以Rhodopseudomonas為主的紫色光合細(xì)菌驅(qū)動(dòng)著一個(gè)自下而上的微生物食物網(wǎng)絡(luò),通過該食物網(wǎng)絡(luò),土壤微生物驅(qū)動(dòng)著C、N等物質(zhì)循環(huán)過程[13]。結(jié)合本研究的結(jié)論,我們可以推斷以上過程可能普遍存在于稻田生態(tài)系統(tǒng)。該認(rèn)知將有助于我們更好的認(rèn)識(shí)稻田生態(tài)系統(tǒng)中養(yǎng)分循環(huán)機(jī)制。

鑒于紫色光合細(xì)菌是一類具有重要生態(tài)功能的土壤微生物,又進(jìn)一步研究了其地理學(xué)分布。PCR-DGGR指紋圖譜明確的揭示出8個(gè)地區(qū)紫色光合細(xì)菌在群落組成上的差異性(圖1)。8個(gè)地區(qū)中優(yōu)勢條帶的數(shù)量和種類都不相同,其中,資陽地區(qū)的條帶數(shù)量最豐富,共有28個(gè)優(yōu)勢條帶,而鷹潭地區(qū)的條帶數(shù)量最少,優(yōu)勢條帶只有7個(gè)。從資陽到鷹潭,物種數(shù)量呈現(xiàn)一定遞減的趨勢。為了更好地展示紫色光合細(xì)菌群落在不同地點(diǎn)差異及其驅(qū)動(dòng)因子,將其與環(huán)境變量相結(jié)合,進(jìn)行典范對應(yīng)分析以及最小判別效應(yīng)分析。研究發(fā)現(xiàn),在多種環(huán)境因子中pH和緯度(溫度)是影響水稻土中紫色光合細(xì)菌群落發(fā)生分異的關(guān)鍵因素(圖4和5)。pH是土壤的一個(gè)重要環(huán)境因子,它由多種環(huán)境因素所共同決定[21]；在前期的工作中,本課題組已經(jīng)證明,在北極地區(qū)的土壤中,pH對紫色光合細(xì)菌群落組成和多樣性都有重要影響[9],是預(yù)測土壤中微生物群落發(fā)生分異的重要因素。其部分原因是由于紫色光合細(xì)菌細(xì)胞表面zeta電位的需求[22]：在同化CO2時(shí),紫色光合細(xì)菌必須盡量保持自己的細(xì)胞膜不處于負(fù)電荷狀態(tài),以保證不(少)吸附Ca2+和保護(hù)自己不被CaCO3沉淀所傷害[23]。因此,pH值對紫色光合細(xì)菌細(xì)胞膜的zeta電位影響很大[24],進(jìn)而對其群落結(jié)構(gòu)也影響很大。同時(shí),與水稻土中紫色光合細(xì)菌生態(tài)位相似,同處在碳循環(huán)末端的產(chǎn)甲烷古菌也被證實(shí)pH是影響其群落分異的主要驅(qū)動(dòng)因子[16]。此外,緯度也是影響土壤中紫色光合細(xì)菌群落分異的關(guān)鍵環(huán)境因素。前期工作也發(fā)現(xiàn)溫度(緯度)對產(chǎn)甲烷古菌的群落結(jié)構(gòu)也有影響[16]。溫度上升,增加土壤微生物數(shù)量和多樣性[25],增強(qiáng)土壤微生物代謝活性[26],從而促進(jìn)土壤碳轉(zhuǎn)化效率[9]。因此,CCA圖上顯示緯度和土壤理化性質(zhì)有著較高的相關(guān)性(圖4)。紫色光合細(xì)菌是碳循環(huán)末端的微生物,溫度升高通過增加底物供應(yīng)而影響其群落結(jié)構(gòu)。在研究中發(fā)現(xiàn)一些Roseivivax出現(xiàn)在緯度較高的海倫地區(qū),而在低緯度地區(qū)并沒有出現(xiàn),例如條帶15(圖1和圖5)。所以在緯度(溫度)梯度上,紫色光合細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生分異。

圖4 8個(gè)地區(qū)水稻土中紫色光合細(xì)菌群落組成的典范對應(yīng)分析Fig.4 Canonical correspondence analysis relating DGGE fingerprinting patterns with environmental variables

圖5 8個(gè)地區(qū)水稻土中紫色光合細(xì)菌群落組成的最小判別效應(yīng)分析Fig.5 Cladogram analysis showing the community structure about purple photosynthetic bacteria

綜上所述,本研究發(fā)現(xiàn)水稻土中含有豐富的紫色光合細(xì)菌資源,主要為紫色非硫細(xì)菌。8個(gè)地區(qū)差異分析發(fā)現(xiàn)pH和緯度(溫度)是影響水稻土中紫色光合細(xì)菌群落分異的2個(gè)關(guān)鍵因素。此外,本研究還發(fā)現(xiàn)水稻土中還有很多尚未發(fā)現(xiàn)的紫色光合細(xì)菌物種。由于PCR-DGGE指紋圖譜只能半定量的表征物種的多樣性,靶標(biāo)土壤中少數(shù)優(yōu)勢微生物,所以今后還可以在更高的分辨率和更大的基因通量下深入的研究水稻土中紫色光合細(xì)菌的空間分異規(guī)律。

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Spatial shifts in purple photosynthetic bacterial community composition in paddy soils along the latitude

ZU Qianhui1,2, WANG Baozhan1, JIA Zhongjun1, LIN Xiangui1, FENG Youzhi1,*

1StateKeyLaboratoryofSoilandSustainableAgriculture,InstituteofSoilScience,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China2GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Purple phototrophic bacteria (PPB) are a diverse group of Proteobacteria that can use sulfur, hydrogen, iron, or organic compounds as electron donors during light harvesting reactions. Because of their metabolic diversity, PPBs are distributed in a wide variety of ecosystems. They participate in, as well as drive, the processes of the carbon cycle in ecosystems. Among terrestrial ecosystems, paddy soils are a preferred PPB habitat. However, gaps exist in our knowledge about PPB community composition in paddy soil and spatial shifts across a large geologic scale. We studied the spatial distribution of PPB in nine representative paddy sites, along a large latitudinal gradient ranging from 28.38° N to 47.43° N in China, using PCR-DGGE fingerprinting and phylogenetic analyses. Mechanisms for the spatial shifts in community composition were further elucidated by canonical correspondence analyses and cladograms. It was found that the dominant paddy PPB guilds are purple non-sulfur bacteria, affiliated with alpha and beta branches of Proteobacteria. Soil pH and air temperature (latitude) were the main environmental triggers that influenced PPB community composition in paddy soil. This knowledge will help us to better understand the key species in paddy soil. In addition, this information will contribute to the comprehensive understanding of spatial shifts in the transformation of organic matter along the Chinese latitudinal gradient.

paddy soil; Purple photosynthetic bacteria; PCR-DGGE fingerprinting;canonical correspondence analysis; spatial shifts in community composition

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41430859)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271256)；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(B類)(XDB15020104)；土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室優(yōu)秀青年人才項(xiàng)目(212000009)

2015- 04- 21;

日期:2016- 03- 03

10.5846/stxb201504210819

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yzfeng@issas.ac.cn

俎千惠,王保戰(zhàn),賈仲君,林先貴,馮有智.水稻土中紫色光合細(xì)菌沿緯度梯度的空間分異特征.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(21):6730- 6737.

Zu Q H, Wang B Z, Jia Z J, Lin X G, Feng Y Z.Spatial shifts in purple photosynthetic bacterial community composition in paddy soils along the latitude.Acta Ecologica Sinica,2016,36(21):6730- 6737.