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        黃綠卷毛菇生境中矮嵩草內(nèi)生真菌多樣性比較研究

        2019-11-21 11:09:22郭璟謝占玲羅濤薛治峰郭建娟李發(fā)雄張秀娟
        生物技術(shù)通報(bào) 2019年11期
        關(guān)鍵詞:卷毛黃綠均勻度

        郭璟 謝占玲 羅濤 薛治峰 郭建娟 李發(fā)雄 張秀娟

        (青海大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院 青海省高原作物種質(zhì)資源創(chuàng)新與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西寧 810016)

        黃綠卷毛菇(Floccularia luteovirens)作為青藏高原高寒草原與草甸生態(tài)系統(tǒng)中最具有代表性的真菌之一[1],不僅是名貴食藥用真菌,而且也是重要的高原生物資源[2]。青藏高原是黃綠卷毛菇最主要的發(fā)生地,黃綠卷毛菇主要生長(zhǎng)在矮嵩草草甸,高山嵩草、異針茅草原化草甸,嵩草雜草類(lèi)草甸,垂穗披堿草草甸[3]。對(duì)于黃綠卷毛菇菌絲體的培養(yǎng),早期的研究發(fā)現(xiàn)黃綠卷毛菇菌絲對(duì)碳源的利用以紅糖為最佳,以酵母膏為最佳氮源,適宜的碳氮比為20-50∶1[4]。此后的研究結(jié)果顯示,該菌適宜碳源為蔗糖,氮源為蛋白胨,適宜的碳氮比為10∶1,最佳礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素是硫酸鎂[5],最適pH為6.5,在暗處培養(yǎng)生長(zhǎng)最佳[6]。然而黃綠卷毛菇菌絲體的人工培養(yǎng)困難,產(chǎn)量低且菌絲體生物量發(fā)酵培養(yǎng)方面未見(jiàn)報(bào)道,人工種植目前尚未成功[7]。

        內(nèi)生真菌廣泛存在植物的組織中,它與植物之間存在著復(fù)雜的分子調(diào)控機(jī)制[8],研究表明內(nèi)生真菌可以提高植物的分蘗數(shù),增加植物的地上和地下的生物量[9]。矮嵩草、二柱頭藨草和高山嵩草是青藏高原高寒草甸中的建群種[10]。目前對(duì)青藏高原植物的內(nèi)生真菌研究比較少,張苗苗等[11]對(duì)甘肅省甘南州瑪曲草原的線(xiàn)葉嵩草進(jìn)行內(nèi)生真菌的分離及其抗菌性質(zhì)的研究,分離到7株內(nèi)生真菌且部分具有抗菌活性。Zhang等[12]對(duì)祁連的3種灌木土壤的真菌多樣性進(jìn)行研究,采用培養(yǎng)和分子鑒定的方法對(duì)菌種進(jìn)行了鑒定。

        本實(shí)驗(yàn)以黃綠卷毛菇生境中的矮嵩草為研究對(duì)象,采取黃綠卷毛菇0 cm、10 cm、20 cm及對(duì)照處的矮嵩草,通過(guò)傳統(tǒng)培養(yǎng)法與宏基因組測(cè)序法,研究黃綠卷毛菇生境中矮嵩草的內(nèi)生真菌多樣性,確定黃綠卷毛菇在植物中的內(nèi)生真菌的地位。

        1 材料與方法

        1.1 材料

        1.1.1 矮嵩草樣品 本實(shí)驗(yàn)所用矮嵩草2018年8月采自青海省海北州海晏縣(海拔3200 m)高寒嵩草草甸。

        1.1.2 培養(yǎng)基 PDA培養(yǎng)基:200 g土豆,20 g葡萄糖,20 g瓊脂,1000 mL水。

        1.2 方法

        1.2.1 矮嵩草植物的處理與消毒 傳統(tǒng)法使用5株植物,植物葉子、基部、根各選取3份。其中葉子選取1 cm長(zhǎng)度,基部除去其包被鞘,根部選取1-1.5cm長(zhǎng)度。對(duì)選取的植物組織用自來(lái)水沖洗3次,蒸餾水漂洗3次,除去表面灰塵泥土。

        宏基因組法選取距黃綠卷毛菇0 cm、10 cm、20 cm及對(duì)照處的矮嵩草,分為主根、側(cè)根、基部,樣品編號(hào)為:F-Z0、F-C0、F-J0、F-Z10、F-C10、F-J10、F-Z20、F-C20、F-J20、F-ZD、F-CD及 F-JD。植物組織同傳統(tǒng)法作相同處理。

        植物組織用5.25%次氯酸鈉浸泡5 min,用無(wú)菌水漂洗4次以充分除去殘留的次氯酸鈉,再使用0.1%氯化汞浸泡植物組織5 min,最后用無(wú)菌水漂洗3次。

        1.2.2 DNA提取 內(nèi)生真菌培養(yǎng)使用PDA培養(yǎng)基,經(jīng)過(guò)分離純化后采用CTAB法[13]提取DNA,使用ITS1和ITS4擴(kuò)增真菌的ITS序列[14],送至上海生物工程有限公司測(cè)序。宏基因組法采用CTAB[13]法提取植物根總DNA,檢測(cè)合格的DNA樣品由上海生物工程有限公司進(jìn)行16S rRNA基因的V3-V4可變區(qū)擴(kuò)增并測(cè)序,采用 Illumina MiseqTM平臺(tái)進(jìn)行雙末端測(cè)序。

        1.2.3 數(shù)據(jù)處理 對(duì)于測(cè)序結(jié)果使用的軟件有BioEdit、Sequencher、MEGA7, 數(shù) 據(jù) 庫(kù) 使 用 NCBI(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)數(shù)據(jù)庫(kù)。多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)計(jì)算采用柴新義等方法[15]。

        2 結(jié)果

        2.1 傳統(tǒng)分離培養(yǎng)法

        2.1.1 內(nèi)生真菌的分離 傳統(tǒng)方法經(jīng)過(guò)分離鑒定得到66株內(nèi)生真菌,在真菌的分布上,基部(6.6)>根(4.2)>葉(2)(表1)。

        表1 傳統(tǒng)法分離菌株的統(tǒng)計(jì)

        2.1.2 內(nèi)生真菌菌群組成的多樣性分析 分離鑒定的66株菌均為子囊菌,分布于7目10屬,結(jié)果如表2所示,包括木霉屬(Trichoderma)、Stachybotriaceae、柱頂孢霉屬(Scytalidium)、鐮刀菌屬(Fusariumsp)、刺盤(pán)孢屬(Colletotrichum)、微座孢屬(Microdochiumsp.)、青霉菌屬(Penicillium)、毛霉屬(Mucor)、鏈格孢屬(Alternaria alternata)、殼多孢屬(Stagonospora)。其中,殼多孢屬(Stagonospora)21株,占所分離菌株的31.82%,為優(yōu)勢(shì)菌屬。

        表2 傳統(tǒng)分離培養(yǎng)法66株內(nèi)生真菌分布情況

        對(duì)傳統(tǒng)法培養(yǎng)的內(nèi)生真菌的多樣性進(jìn)行分析見(jiàn)表3,根的多樣性指數(shù)(1.95)>基部的多樣性指數(shù)(1.78)>葉片的多樣性指數(shù)(1.17)。在豐富度指數(shù)上,基部的豐富度指數(shù)(1.95)>根的豐富度指數(shù)(1.82)>葉的豐富度指數(shù)(0.90)。根的均勻度指數(shù)(0.89)>葉子的均勻度指數(shù)(0.84)>基部的均勻度指數(shù)(0.74),表明矮嵩草中不同的組織中,內(nèi)生真菌的數(shù)量種類(lèi)是存在差異的。

        傳統(tǒng)分離方法內(nèi)生真菌相對(duì)豐度結(jié)果見(jiàn)表4。主要分離到的是優(yōu)勢(shì)菌株:Stagonospora bicolor、Trichoderma rossicum、Colletotrichumsp.、uncultured fungus和Pleosporales sp.。在根組織中Stagonosporabicolor(7.58)和uncultured fungus的相對(duì)多度最高(7.58),基部中Stagonospora bicolor相對(duì)多度最高(24.24),葉子中Colletotrichumsp.的相對(duì)多度最高(7.58)。表明在矮嵩草植物中不同組織中的內(nèi)生真菌優(yōu)勢(shì)菌株是不同的。

        表3 傳統(tǒng)法內(nèi)生真菌菌群多樣性指數(shù)

        表4 傳統(tǒng)方法內(nèi)生真菌相對(duì)豐度

        2.1.3 內(nèi)生真菌菌群組成 采用鄰接法(Neighbor-Joining methods,NJ)構(gòu)建進(jìn)化樹(shù)如圖1,從進(jìn)化樹(shù)可以看出所有菌株可以分為3個(gè)分支,其中毛霉屬M(fèi)ucor和uncultured fungus MH30052分別占據(jù)2個(gè)分支,剩下的一支可以分類(lèi)到6個(gè)大類(lèi)。66株菌的NCBI登陸號(hào)為MH299988-MH300053。未分離到黃綠卷毛菇。

        圖1 基于ITS基因部分序列構(gòu)建的部分菌株的Neighbour-Joining系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)

        2.2 宏基因組法

        2.2.1 內(nèi)生真菌的分離 宏基因組法,12份樣品的OTU在屬的水平上展示如圖2,在各個(gè)樣品之間,屬的分布是不同的,占比最多的是Fusarium。

        2.2.2 內(nèi)生真菌菌群組成的多樣性分析 基于宏基因組測(cè)序結(jié)果,其中12個(gè)樣品共分離鑒定到種水平的OTU數(shù)目為587,F(xiàn)usariumsp相對(duì)豐度是最高的,平均值為17.15;而在傳統(tǒng)分離的方法中,uncultured fungus和Stagonospora bicolor是相對(duì)多度最高,均為7.58(表5)。此外,雖然使用的是相同的組織樣品,對(duì)于多數(shù)的內(nèi)生真菌是比較難培養(yǎng)的,傳統(tǒng)法中分離的菌種占宏基因組的1.70%(10/587)。

        圖2 屬水平所有樣本群落結(jié)構(gòu)分布圖

        宏基因組的結(jié)果分析顯示見(jiàn)表6,12份根的樣品中,不同樣品的多樣性指數(shù),豐富度指數(shù),均勻度指數(shù)是不同的。多樣性指數(shù)平均值為3.13、豐富度指數(shù)平均值為39.08、均勻度指數(shù)平均值為0.48。矮嵩草植物的不同組織中,多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)表現(xiàn)為:側(cè)根>主根>基部。

        2.2.3 內(nèi)生真菌菌群組成 傳統(tǒng)分離方法所得到的全部菌株均分類(lèi)到子囊菌中,而宏基因組法分析豐度如圖3所示,其進(jìn)化組成關(guān)系中內(nèi)生真菌的組成中有子囊菌門(mén)(Ascomycota)占77.21%、擔(dān)子菌門(mén)(Basidiomycota)占16.21%,剩下的6.58%為unclassified真菌,傳統(tǒng)法未分離到擔(dān)子菌的內(nèi)生真菌。表明在傳統(tǒng)分離真菌的過(guò)程中,子囊菌真菌是屬于易培養(yǎng)的真菌,而擔(dān)子菌真菌不易被培養(yǎng)。

        2.3 傳統(tǒng)分離培養(yǎng)法與宏基因組法的比較

        傳統(tǒng)法共分離到66株內(nèi)生真菌,均分類(lèi)到子囊菌門(mén)中,優(yōu)勢(shì)菌屬為殼多孢屬,而宏基因組法共檢測(cè)到587種內(nèi)生真菌,內(nèi)生真菌的組成中有子囊菌門(mén)、擔(dān)子菌門(mén),且傳統(tǒng)多樣性指數(shù)(1.63)<宏基因組法的均值(3.13),傳統(tǒng)法豐富度指數(shù)(1.56)<宏基因組的均值(39.08),傳統(tǒng)法均勻度指數(shù)(0.82)>宏基因組的均值(0.48),如表7所示。

        3 討論

        本研究利用傳統(tǒng)分離培養(yǎng)法并結(jié)合宏基因法,對(duì)青藏高原地區(qū)矮嵩草植物內(nèi)生真菌多樣性進(jìn)行了研究。傳統(tǒng)方法分離到66株內(nèi)生真菌,遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于張苗苗等[11]對(duì)甘肅省甘南州瑪曲草原的線(xiàn)葉嵩草內(nèi)生真菌的分離,共分離到7株內(nèi)生真菌分別為鐮刀菌屬Fusarium、枝頂孢屬Acremoniumsp、黑團(tuán)孢霉屬Periconiasp。在本研究中也分離到了鐮孢屬,但并沒(méi)有分離到枝頂孢屬和黑團(tuán)孢霉屬這兩屬的內(nèi)生真菌。但在本研究中還分離出其它屬的內(nèi)生真菌,多樣性結(jié)果分析結(jié)果顯示,在矮嵩草植物中,根和基部的多樣性指數(shù)大于葉子的多樣性指數(shù),基部和根的豐富度指數(shù)均大于葉片,表明矮嵩草的內(nèi)生真菌主要分布于基部和根,葉子分布較少,這可能與根際土壤微生物群落對(duì)植物體的作用有關(guān)[16]。

        表5 宏基因組法內(nèi)生真菌相對(duì)豐度

        表6 宏基因組法內(nèi)生真菌菌群多樣性指數(shù)

        傳統(tǒng)培養(yǎng)與直接PCR法對(duì)菌根真菌的研究在其它植物中有相關(guān)的報(bào)道[17],而宏基因組法對(duì)矮嵩草植物內(nèi)生真菌的研究未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道,12組根樣品共檢測(cè)到587種內(nèi)生真菌,而且內(nèi)生真菌的組成存在差異,表明不同個(gè)體的內(nèi)生真菌的組成可能存在差異。世界上大部分真菌在實(shí)驗(yàn)室很難培養(yǎng)出來(lái)[18],傳統(tǒng)分離方法分離的菌株占宏基因組的1.70%(10/587),很大一部分的真菌并未被分離出來(lái),這可能是因?yàn)榕囵B(yǎng)技術(shù)只能培養(yǎng)很少一部分微生物,大部分微生物難以培養(yǎng),純培養(yǎng)技術(shù)不能精確反映環(huán)境微生物的真實(shí)生存狀況[19]。研究?jī)?nèi)生真菌本身,傳統(tǒng)方法更為可靠具有后續(xù)研究的優(yōu)勢(shì)[20],但面對(duì)未開(kāi)發(fā)的真菌,特別是擔(dān)子菌綱的真菌,很大的不足還是缺乏宿主系統(tǒng)[21]。利用宏基因組技術(shù)可以探明內(nèi)生真菌群落的組成[22],且能夠更有效、更可靠地評(píng)估真菌的豐富度[23]。在對(duì)傳統(tǒng)與宏基因組的多樣性指數(shù)、豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)的比較分析上,傳統(tǒng)方法多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)是低于宏基因組法的均值,而在均勻度指數(shù)上傳統(tǒng)法大于宏基因組法,這樣的結(jié)果可能是由于真菌的對(duì)培養(yǎng)基的選擇,篩選出來(lái)的真菌是在PDA中的優(yōu)勢(shì)菌株和易培養(yǎng)菌株,這與Elizabeth等[24]所說(shuō)明的培養(yǎng)的方法低估了內(nèi)生真菌的多樣性相類(lèi)似,不同的方法存在著某種特殊的偏好性。而這些菌株的分布比較大,所以會(huì)造成指標(biāo)的偏離,不能真實(shí)的展示內(nèi)生真菌的多樣性和差異性。所以推測(cè)環(huán)境因素對(duì)植物內(nèi)生真菌的影響以及個(gè)體差異可能體現(xiàn)在那些非優(yōu)勢(shì)菌株中的變化上,而不是優(yōu)勢(shì)菌株。

        圖3 GraPhlAn繪制的分類(lèi)和系統(tǒng)發(fā)育信息可視化圖

        表7 宏基因組法與傳統(tǒng)法的比較

        通過(guò)兩種方法的比較發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)分離培養(yǎng)法未分離到黃綠卷毛菇,而宏基因組法分離到相對(duì)豐度為11.39的黃綠卷毛菇,可能原因?yàn)辄S綠卷毛菇生長(zhǎng)緩慢,需要加富營(yíng)養(yǎng),而傳統(tǒng)的培養(yǎng)法用PDA平板培養(yǎng),未能達(dá)到自然生境中的營(yíng)養(yǎng)要求。關(guān)于黃綠卷毛菇人工種植目前尚未成功,菌根類(lèi)型的研究及確定將是今后研究的方向。

        4 結(jié)論

        傳統(tǒng)分離培養(yǎng)法共分離鑒定得到66株內(nèi)生真菌均為子囊菌門(mén)(Ascomycota),優(yōu)勢(shì)種群為Stagonospora bicolor;宏基因組法檢測(cè)到587種內(nèi)生真菌,子囊菌門(mén)占77.21%、擔(dān)子菌門(mén)(Basidiomycota)占16.21%,剩下的6.58%為unclassified真菌,優(yōu)勢(shì)種群為Fusariumsp.。傳統(tǒng)法多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)均小于宏基因組法,均勻度指數(shù)大于宏基因組法。黃綠卷毛菇生境的矮嵩草植物中,蘊(yùn)含著豐富的內(nèi)生真菌資源,黃綠卷毛菇為優(yōu)勢(shì)內(nèi)生真菌種群之一。

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