孫樂(lè)妮,吳兵兵,徐志豪,李澤龍,張勝全,楊恩東,周佳慧

1 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,合肥 230036 2 北京市農(nóng)林科學(xué)院北京雜交小麥工程技術(shù)研究中心,北京 100097

隨著工業(yè)化的發(fā)展,礦山開(kāi)采、燃煤發(fā)電和工業(yè)廢水排放等大量工業(yè)活動(dòng),導(dǎo)致土壤重金屬污染日益嚴(yán)重,直接或間接地影響了土壤質(zhì)量[1]。2014年,國(guó)家發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》顯示,我國(guó)土壤總體污染較為嚴(yán)重,主要受到了Cd、Cr、Pb和Cu等重金屬污染[2]。重金屬鎘毒性較大,遷移性強(qiáng),對(duì)于農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育有毒害作用,進(jìn)而通過(guò)食物鏈直接或間接影響人體健康。長(zhǎng)期食用含Cd的食物,會(huì)導(dǎo)致人體代謝異常,鈣及磷元素缺失,危害人體肺和肝等重要器官,影響身體健康。

小麥?zhǔn)鞘澜缟献钪饕募Z食作物之一,在世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位。農(nóng)田重金屬污染對(duì)小麥安全生產(chǎn)已產(chǎn)生潛在危害,一些地區(qū)小麥籽粒重金屬含量存在超過(guò)中國(guó)國(guó)家食品安全標(biāo)準(zhǔn)(GB2762—2017)現(xiàn)象[3—4]。研究者們發(fā)現(xiàn)不同小麥品種耐受重金屬及吸收積累重金屬能力存在差異[5—8]。利用小麥吸收積累重金屬在不同品種間的差異性,篩選用于作物安全生產(chǎn)的低積累型品種,是應(yīng)對(duì)農(nóng)田重金屬污染的解決策略之一[9]。

根際微生物作為土壤-植物生態(tài)系統(tǒng)的重要連接載體,不僅參與土壤物質(zhì)循環(huán)、保持土壤肥力,而且對(duì)土壤中重金屬的遷移、轉(zhuǎn)化以及植物生長(zhǎng)發(fā)育、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性起重要作用。接種根際微生物Streptomycespactum和Pseudomonasaeruginosa能通過(guò)活化或鈍化土壤重金屬,改變重金屬的生物有效性,提高或降低小麥對(duì)重金屬的吸收[10—11]。接種微生物也能調(diào)節(jié)小麥生理生化特性,改善對(duì)不良環(huán)境的抗氧化脅迫能力[12—13]。由此可見(jiàn),小麥根際微生物菌群在提高或阻控小麥吸收重金屬、增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性方面發(fā)揮重要作用,有必要加強(qiáng)小麥根際微生物菌群研究,以加深對(duì)微生物-小麥相互作用機(jī)制的理解。小麥根際微生物群落結(jié)構(gòu)雖已見(jiàn)報(bào)道,但相關(guān)研究?jī)H限于單一品種或重金屬脅迫對(duì)單一品種根際微生物的研究[14—16]。隨著作物品種在安全生產(chǎn)中重要作用的充分體現(xiàn),不同積累型作物重金屬吸收富集能力、亞細(xì)胞分布、根際化學(xué)特點(diǎn)比較已見(jiàn)報(bào)道[7,17—18],但重金屬高低不同積累型小麥根際微生物群落結(jié)構(gòu)與功能研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究采用菌株分離培養(yǎng)技術(shù)結(jié)合 Biolog微平板技術(shù)分析兩種不同鎘積累型小麥根際微生物群落結(jié)構(gòu)與功能多樣性差異,研究結(jié)果有利于深入理解鎘低積累型小麥根際微生物菌群特征,為在中低污染土壤中利用微生物調(diào)控小麥安全生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

重金屬Cd污染土壤采自安徽廬江岳山礦區(qū)周邊農(nóng)田,非污染土壤采自安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園農(nóng)田。小麥品種為鎘高積累型冀 5265(JI5265)和鎘低積累型濟(jì)麥22(JM22)[8]。

LB 培養(yǎng)基:蛋白胨10 g,酵母粉5 g,NaCl10 g,蒸餾水1000 mL,瓊脂20 g,pH 7.2。重金屬抗性細(xì)菌篩選固體培養(yǎng)基：分別配制重金屬母液和 LB 培養(yǎng)基,單獨(dú)滅菌后,取不同量重金屬母液加入到 LB 培養(yǎng)基中,得到不同濃度梯度的重金屬抗性固體培養(yǎng)基。脲酶培養(yǎng)基[19]：蛋白胨1 g,葡萄糖1 g,氯化鈉5 g,磷酸二氫鉀2 g,酚紅0.012 g,2%尿素,蒸餾水1000 mL,瓊脂20 g,pH 7.0。其中,尿素水溶后過(guò)濾除菌加入滅菌后的培養(yǎng)基。

1.2 小麥盆栽試驗(yàn)

將土壤風(fēng)干過(guò)篩后分別裝入盆中(h18 cm×Φ26 cm),每盆裝土3.0 kg。盆栽試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理：污染土濟(jì)麥22(CJM)、污染土冀 5265(CJI)、非污染土濟(jì)麥22(NJM)和非污染土冀 5265(NJI),每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù),共12盆。每盆播種12粒小麥種子,各盆隨機(jī)放置于室外。待小麥長(zhǎng)至分蘗期,采收小麥,收集根際1—2 mm范圍內(nèi)的根際土,用于根際土壤微生物分析。

1.3 根際可培養(yǎng)細(xì)菌分離及數(shù)量測(cè)定

取小麥根際土壤各1 g,分別加入到裝有99 mL無(wú)菌蒸餾水的三角瓶中,放置于28℃搖床內(nèi)振蕩30 min。取樣做十倍梯度系列稀釋,得到10-2,10-3,10-4,10-5土壤懸液,分別取100 μL稀釋液涂布在不含Cd2+和含Cd2+濃度為25 mg/L(CdCl2)的LB固體平板上,置于28℃生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h后對(duì)平板上菌落進(jìn)行計(jì)數(shù),并計(jì)算每克土壤中具有抗Cd細(xì)菌數(shù)量和總細(xì)菌數(shù)量。挑取高稀釋度平板上的優(yōu)勢(shì)菌落進(jìn)行多次劃線分離純化,并將菌種保存于-80℃?zhèn)溆谩?/p>

1.4 菌株16S rDNA序列分析

對(duì)分離菌株參照《DNA-EZ Reagents V All-DNA-Fast-Out》試劑盒說(shuō)明書(shū)提取細(xì)菌基因組DNA,保存于-80℃冰箱。PCR反應(yīng)參考文獻(xiàn)[20]方法進(jìn)行。正向引物為27F：5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′,反向引物為1492R：5′-TACGGCTACCTTGTTACGACTT-3′,以細(xì)菌總DNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增。擴(kuò)增體系(50 μL)：10× buffer 5 μL,25 mM MgCl23 μL,上游引物27F和下游引物1492R各2 μL,2.5 mM dNTP 1 μL,Taq DNA polymerase 1 μL,模板DNA 1 μL,ddH2O補(bǔ)足至50 μL。取2 μL PCR產(chǎn)物于1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)。擴(kuò)增產(chǎn)物送上海生工進(jìn)行測(cè)序。將序列提交NCBI(https://www.ncbi.nlm.nih.gov)進(jìn)行Blast比對(duì),確定物種信息。序列用 BLAST程序 與 GenBank 數(shù)據(jù)庫(kù)中的典型菌株序列進(jìn)行比對(duì)分析,選取相似性較高的典型菌株 16S rDNA 序列,經(jīng) Clustal X1.83 進(jìn)行自動(dòng)排序比對(duì)后,用MEGA7.0 軟件 Neighbor-joining 法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。

1.5 根際優(yōu)勢(shì)可培養(yǎng)細(xì)菌生物學(xué)特性

菌株脲酶活性測(cè)定：將目標(biāo)菌株劃線接種到脲酶培養(yǎng)基上,28℃培養(yǎng)48 h后觀察現(xiàn)象,若菌苔周?chē)囵B(yǎng)基變紅,則該菌株產(chǎn)脲酶活性為陽(yáng)性[19]。菌株的鎘抗性測(cè)定：將菌種接種到不同重金屬濃度的固體培養(yǎng)基上(重金屬終濃度如下：Cd2+50、100、200 mg/L),28℃培養(yǎng)3—5 d,觀察菌株是否能夠生長(zhǎng),若能生長(zhǎng),則該菌株對(duì)重金屬鎘有抗性[21]。

1.6 Biolog-Eco 微平板分析

利用Biolog-Eco微平板法評(píng)價(jià)根際土壤微生物的功能多樣性。將10-3根際土壤稀釋液接種Biolog-Eco生態(tài)測(cè)試板,每孔接種150 μL,每個(gè)樣品三個(gè)重復(fù),加蓋置于 25℃的培養(yǎng)箱中保濕避光培養(yǎng)8 d,定時(shí)用酶標(biāo)儀讀取590 nm吸光值。

Biolog-Eco微平板法測(cè)定的每孔平均顏色變化率(average well color development,AWCD)是土壤微生物代謝活性的重要指標(biāo)。土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)采用Shannon-Wiener 指數(shù)(H)、Mc Intosh 指數(shù)(U)、Simpson指數(shù)(D)和Pielou 指數(shù)(J)。

H=-∑PilnPi

J=H/lnS

式中,Pi為第i孔的相對(duì)吸光值與整個(gè)微平板所有相對(duì)吸光值總和的比值(Ci-R)/∑(Ci-R)；S為被利用的碳源總數(shù),即Ci-R>0的孔的數(shù)目；ni為第i孔的相對(duì)吸光值,即(Ci-R)；Ci為第i個(gè)非對(duì)照孔的吸光值；R為對(duì)照孔的吸光值；n為培養(yǎng)基碳源種類數(shù)31。

1.7 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel Office 2019進(jìn)行處理并作圖；采用SPSS17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)單因素方差分析,Duncan 檢驗(yàn)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)差異顯著性分析(P<0.05 差異顯著)。采用Canoco for Windows 5.0軟件,利用培養(yǎng)120 h AWCD值對(duì)不同土壤中小麥根際微生物碳源代謝多樣性進(jìn)行主成分分析(PCA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 根際可培養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量

不同小麥品種根際細(xì)菌數(shù)量如表1所示。污染土壤和非污染土壤中濟(jì)麥22根際總細(xì)菌數(shù)量分別是冀5265的6.4倍和1.57倍。污染土中濟(jì)麥22抗Cd細(xì)菌數(shù)量最高,為8.25×106cfu/g,占總細(xì)菌數(shù)的51%。污染土壤中濟(jì)麥22根際總細(xì)菌數(shù)量和抗Cd細(xì)菌數(shù)量均顯著高于冀5265(P<0.05),而兩者于非污染土壤中無(wú)顯著差異。對(duì)不同土壤而言,污染土中濟(jì)麥22根際總細(xì)菌數(shù)量、抗性細(xì)菌數(shù)量以及抗性細(xì)菌比例均顯著高于非污染土；污染土中冀5265根際抗性細(xì)菌數(shù)量以及抗性細(xì)菌比例均高于非污染土。鎘污染土壤中抗性細(xì)菌數(shù)量以及抗性細(xì)菌比例均明顯高于非污染土壤。

表1 不同土壤栽培下小麥根際細(xì)菌數(shù)量Table 1 The number of rhizosphere bacteria in wheat under different soil cultivation

2.2 根際優(yōu)勢(shì)可培養(yǎng)細(xì)菌鑒定及生物學(xué)特性

采用稀釋涂布平板法分離獲得小麥根際優(yōu)勢(shì)細(xì)菌總計(jì)34株(表2),經(jīng)鑒定屬于4個(gè)菌門(mén)、9個(gè)屬,產(chǎn)脲酶細(xì)菌14株,占總細(xì)菌數(shù)41.2%,鎘抗性細(xì)菌(200 mg/L)7株,以鄰接法構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)如圖1。研究發(fā)現(xiàn),污染土濟(jì)麥22的根際細(xì)菌鑒定為Actinobacteria 門(mén)Arthrobacterspp.(4株)、Pseudarthrobacterspp.(2株)、Paenarthrobactersp.(1株)和Firmicutes門(mén)Bacillusaerophilus(1株)、Bacillusmegaterium(1株)和Bacillussp.(1株),其中產(chǎn)脲酶菌株7株,鎘抗性細(xì)菌5株；污染土冀5265小麥根際細(xì)菌為Actinobacteria 門(mén)Streptomycesspp.(3株)、Microbacteriummarinum(1株)、Pseudarthrobactersp.(1株)以及Alphaproteobacteria門(mén)Agrobacteriumspp.(2株)和Firmicutes門(mén)Bacillussp.(1株),其中產(chǎn)脲酶菌株2株,鎘抗性細(xì)菌2株;非污染土濟(jì)麥22的根際細(xì)菌為Bacillusaerophilus(4株)、Bacillussp.(1株)、Agrobacteriumspp.(2株)、Ensiferadhaerens(1株),產(chǎn)脲酶菌株4株；非污染土冀5265小麥根際細(xì)菌為Bacillusaerophilus(4株)、Bacillussp.(1株)、Agrobacteriumspp.(2株)和Pantoeadispersa(1株),產(chǎn)脲酶菌株1株。

圖1 小麥根際細(xì)菌16S rRNA 基因系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)Fig.1 Neighbor-Joining tree shows the phylogenetic relationships of wheat rhizobacteria based on 16S rRNA gene sequences分支點(diǎn)數(shù)字為 Bootstrap 值,代表分類單位被聚在一起的幾率；比例尺顯示水平線的長(zhǎng)度,代表堿基替換數(shù)；括號(hào)里的內(nèi)容為GenBank 登錄號(hào)

表2 分離菌株的鑒定及生物學(xué)特性Table 2 Identification and biological characteristics of isolated strains

小麥根際微生物優(yōu)勢(shì)菌存在品種間和土壤間差異。污染土中濟(jì)麥22根際細(xì)菌以放線菌門(mén)節(jié)桿菌屬(Arthrobacter)和厚璧菌門(mén)芽孢桿菌屬(Bacillus)為主,冀5265根際優(yōu)勢(shì)菌以放線菌門(mén)鏈霉菌屬(Streptomyces)為主,污染土中兩者根際優(yōu)勢(shì)菌群差異較大,而非污染土中兩者根際優(yōu)勢(shì)菌群較相似。污染脅迫使小麥根際優(yōu)勢(shì)菌發(fā)生變化,但都以放線菌門(mén)為主。污染土中濟(jì)麥、冀麥及非污染土中濟(jì)麥、冀麥根際細(xì)菌產(chǎn)脲酶比例分別為70%、25%、50%、12.5%。濟(jì)麥根際產(chǎn)脲酶細(xì)菌比例高于冀麥,污染土小麥根際產(chǎn)脲酶細(xì)菌比例高于非污染土根際。污染土根際細(xì)菌中38.9%(7株)菌株耐受200 mg/L Cd,而非污染土根際細(xì)菌菌株均不耐受200 mg/L Cd。污染土濟(jì)麥根際與冀麥根際耐受200 mg/L Cd的菌株分別占50%和25%。根際產(chǎn)脲酶細(xì)菌和重金屬抗性細(xì)菌受小麥品種和土壤污染程度影響。

2.3 小麥根際微生物群落碳源代謝利用能力分析

2.3.1碳源代謝活性動(dòng)力學(xué)分析

平均顏色變化率(AWCD)表示土壤微生物群落對(duì)31種碳源的利用能力和代謝活性變化,體現(xiàn)了土壤微生物群落生理功能多樣性。由圖2可知,不同土壤栽培的小麥根際微生物AWCD值隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸升高。24 h之前AWCD值幾乎保持不變,表明碳源沒(méi)有被微生物利用。在24—120 h之間AWCD值增長(zhǎng)速率較快,表明碳源被快速利用,微生物代謝活性明顯增強(qiáng)。120 h以后增長(zhǎng)速率減緩并于144 h后趨于穩(wěn)定。對(duì)于小麥品種濟(jì)麥22,24 —120 h污染土壤AWCD值高于非污染土壤,而144 h以后非污染土AWCD值高于污染土。濟(jì)麥22的污染土壤AWCD值與非污染土壤有顯著差異(P<0.05),表明同一種小麥,根際微生物組成會(huì)受栽培土壤影響。在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中,冀5265的污染土與非污染土AWCD值無(wú)顯著差異,說(shuō)明這種小麥的兩種根際土壤微生物碳源代謝能力幾乎相同,幾乎不受土壤類型影響。污染土壤和非污染土壤中濟(jì)麥22 AWCD值均顯著大于冀5265,表明濟(jì)麥22根際微生物對(duì)碳源的利用能力大于冀5265,濟(jì)麥22根際微生物代謝活性更強(qiáng)。

圖2 不同土壤栽培下不同小麥根際微生物群落平均顏色變化率AWCD隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamics of AWCD of different wheat rhizosphere microorganisms in different soils

2.3.2碳源類型利用特征

將Biolog-Eco板31種碳源分為6大類,根據(jù)120 h 測(cè)定的31個(gè)孔AWCD值進(jìn)行碳源利用分析。由圖3可知,污染土壤栽培的濟(jì)麥22根際微生物對(duì)碳水化合物類、氨基酸類、羧酸類、多聚物類、酚酸類、胺類6類碳源的利用強(qiáng)度均很高,且都顯著高于污染土壤中冀5265(P<0.05),其中,對(duì)胺類化合物的利用差異極顯著(P<0.001)。非污染土中濟(jì)麥22僅對(duì)羧酸類碳源利用強(qiáng)度顯著高于冀5265,而其它碳源間無(wú)顯著差異,說(shuō)明非污染土壤中濟(jì)麥22根際微生物菌群與冀5265較相近。對(duì)于濟(jì)麥22,污染土壤中對(duì)各類碳源利用強(qiáng)度均高于非污染土壤,且在氨基酸類、酚酸類、多聚物類和胺類這4大類碳源上存在顯著差異(P<0.05)。冀5265在污染土壤中對(duì)酚酸類利用強(qiáng)度與非污染土壤存在差異,其他各類碳源利用強(qiáng)度與非污染土壤無(wú)差異。同一品種小麥根際微生物對(duì)不同碳源的利用程度不同,對(duì)碳源利用水平總體上較高的是碳水化合物類、氨基酸類、羧酸類和多聚類。僅污染土壤中濟(jì)麥22根際微生物對(duì)胺類有較高利用,而冀5265對(duì)胺類化合物利用基本趨于零。根際微生物對(duì)碳源利用能力不同可以反映根際微生物群落結(jié)構(gòu)不同。

圖3 不同土壤栽培下小麥根際微生物對(duì)六類碳源利用強(qiáng)度Fig.3 Utilization intensities of six types of carbon sources by wheat rhizosphere microorganisms under different soil cultivation同列不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上差異顯著

2.3.3根際微生物群落代謝功能多樣性指數(shù)

Mc Intosh 指數(shù)(U)用于描述基于群落物種多維空間上Euclidian距離的多樣性指數(shù),Simpson指數(shù)(D)用于評(píng)估某些常見(jiàn)物種的優(yōu)勢(shì)度,Shannon-Wiener 指數(shù)(H)和Pielou指數(shù)(J)分別用于評(píng)估微生物群落的物種豐富度和物種均勻度。由表3可知,在兩種土壤中濟(jì)麥22的根際微生物Mc Intosh 指數(shù)、Shannon-Wiener 指數(shù)、Simpson指數(shù)均顯著高于冀5265(P<0.05),表明小麥根際微生物物種豐富度和優(yōu)勢(shì)度受到不同積累型小麥品種影響。濟(jì)麥22的Mc Intosh 指數(shù)、Shannon-Wiener 指數(shù)、Simpson指數(shù)均表現(xiàn)為污染土壤明顯高于非污染土壤,而冀5265則無(wú)顯著差異。Pielou指數(shù)在各處理間無(wú)顯著差異,說(shuō)明不同積累型小麥根際微生物均一性相似。冀5265根際微生物的Mc Intosh 指數(shù)(U)、Shannon-Wiener 指數(shù)(H)、Simpson指數(shù)(D)、Pielou指數(shù)(J)均為最小,表明非污染土壤栽培的冀5265根際微生物均勻度和豐富度最小。

表3 不同土壤栽培下不同小麥根際微生物120 h AWCD和多樣性指數(shù)Table 3 120 h AWCD and diversity index of wheat rhizosphere microorganism under different soil cultivation

2.4 根際微生物碳源利用主成分分析

為了進(jìn)一步明確不同小麥根際微生物群落功能和結(jié)構(gòu)的差異,研究選取120 h各處理根際微生物對(duì)31種碳源的AWCD數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析。由圖4可知,第一主成分(PC1)貢獻(xiàn)率為37.85%,第二主成分(PC2)貢獻(xiàn)率為15.53%。四組處理中,CJI和NJI點(diǎn)陣主要集中于一三側(cè)象限,CJM和NJM點(diǎn)陣主要分布于右側(cè)象限,表明小麥品種明顯影響菌群結(jié)構(gòu)。NJM和NJI點(diǎn)陣主要集中于第一象限,相距較近,表明在非污染土中濟(jì)麥22與冀5265菌群碳源代謝相似、菌群較相近；污染土壤中CJM與CJI分別偏離NJM和NJI點(diǎn)陣,表明污染土壤兩種小麥根際微生物菌群與非污染相比均發(fā)生變化。

圖4 基于小麥根際微生物碳源利用的主成分分析 Fig.4 Principal components analysis (PCA) based on carbon source utilization of rhizosphere microorganism in wheat

3 討論

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)轉(zhuǎn)化的重要驅(qū)動(dòng)力,對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育具有重要作用。重金屬污染對(duì)根際微生物的影響是復(fù)雜的,它會(huì)打破植物根際原有的微生物物種生態(tài)平衡,一方面會(huì)使不適應(yīng)重金屬的物種數(shù)量減少,另一方面會(huì)使適應(yīng)生長(zhǎng)的微生物種類數(shù)量增多[22—23]。本研究發(fā)現(xiàn)污染土壤中低積累型濟(jì)麥22根際總細(xì)菌數(shù)量、抗Cd細(xì)菌數(shù)量顯著高于非污染土壤濟(jì)麥22和污染土壤高積累型冀5265,同時(shí)濟(jì)麥22 的AWCD值高于冀5265,這表明污染土壤中低積累型小麥根際細(xì)菌數(shù)量多、代謝活性更強(qiáng),重金屬污染刺激了濟(jì)麥22根際細(xì)菌數(shù)量增長(zhǎng)。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因可能是,一方面重金屬對(duì)根際微生物物種的選擇性刺激或抑制作用,另一方面高低不同積累型小麥根系分泌物種類和數(shù)量存在差異[18],導(dǎo)致了明顯不同的根際效應(yīng)。低積累型濟(jì)麥22根際微生物的轉(zhuǎn)變可能更有利于該小麥適應(yīng)重金屬污染環(huán)境。龔玉蓮等[24]研究發(fā)現(xiàn)高低鎘積累蕹菜根際微生物群落結(jié)構(gòu)和功能差異顯著,低積累型蕹菜QLQ根際微生物群落代謝活性明顯高于高積累型蕹菜T308,這與本研究結(jié)果相一致,但其根際細(xì)菌數(shù)量卻低于高積累型蕹菜。本研究關(guān)于細(xì)菌數(shù)量結(jié)果與蕹菜不完全一致,這可能是由于不同植物種類根際效應(yīng)不同,對(duì)重金屬的吸收、耐受性以及對(duì)根際化學(xué)環(huán)境的敏感程度不同。

根際微生物菌群多樣性指數(shù)也表現(xiàn)出濟(jì)麥22明顯高于冀5265,表明低積累型小麥根際微生物群落在物種豐富度和優(yōu)勢(shì)度上存在明顯優(yōu)勢(shì)。16S rDNA序列分析表明,污染土壤中兩種小麥品種根際優(yōu)勢(shì)細(xì)菌群落組成也存在較多品種間差異。這些結(jié)果均表明兩種不同積累型小麥品種根際微生物菌群多樣性和組成存在差異,這與Zhu等[25]利用磷脂脂肪酸技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)7種雜交水稻品種根際特異性微生物群落存在差異結(jié)果相一致。同一土壤中高低積累型小麥根際微生物代謝活性、多樣性、組成及數(shù)量等差異可能與植物根系分泌物有關(guān)[26]。根系分泌物為微生物生長(zhǎng)提供重要的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源,對(duì)根際定殖微生物種類具有選擇作用。不同生態(tài)型植物及重金屬脅迫使根系分泌物組成和數(shù)量會(huì)存在差異[27—28],這種差異會(huì)吸引不同的根際微生物聚集于植物根際[29-31]。根系分泌物-微生物-重金屬三者間存在復(fù)雜的相互作用關(guān)系。

通過(guò)對(duì)可培養(yǎng)優(yōu)勢(shì)菌群16S rDNA序列分析,發(fā)現(xiàn)污染土壤中濟(jì)麥22與冀5265根際優(yōu)勢(shì)菌物種差異較大,主要表現(xiàn)為濟(jì)麥22以放線菌門(mén)的Arthrobacter和厚璧菌門(mén)Bacillus為主,冀5265根際優(yōu)勢(shì)菌以放線菌門(mén)Streptomyces為主,但非污染土壤中二者差異較小。根際微生物對(duì)植物根際環(huán)境變化較為敏感,在特定的脅迫環(huán)境中植物會(huì)招募能夠緩解植物自身脅迫壓力的特定微生物種群聚集于根際[32—33]。本研究發(fā)現(xiàn)在遭受重金屬脅迫后兩種小麥根際優(yōu)勢(shì)菌群分別發(fā)生改變,但都以放線菌門(mén)為主,這與邵宗圓等[34]研究相一致。Arthrobactersp.能吸附重金屬,減少環(huán)境中重金屬生物有效性[35]。Bacillussp.能提高小麥抗氧化防御系統(tǒng),減輕重金屬脅迫產(chǎn)生的氧化損傷[36],并能減少植物對(duì)重金屬的吸收積累[37]。Ali 等[10]發(fā)現(xiàn)接種Streptomycessp.能增強(qiáng)小麥對(duì)重金屬的吸收積累。Arthrobacter[38—39],Bacillus[40—41],Streptomyces[42]等菌都是重金屬污染土壤及耐性植物根際的優(yōu)勢(shì)菌群,這些細(xì)菌對(duì)調(diào)節(jié)植物耐受重金屬及吸收積累重金屬具有重要作用。Bacillus和Streptomyces分別能通過(guò)產(chǎn)生內(nèi)生芽孢和孢子增強(qiáng)對(duì)外界不良環(huán)境的耐受性。本研究中重金屬脅迫使兩種小麥分別招募這些特定的微生物類群,可能對(duì)幫助其應(yīng)對(duì)重金屬脅迫具有重要作用。

3結(jié)論

(1)土壤污染脅迫促使不同積累型小麥根際抗性細(xì)菌數(shù)量及所占比例提高,低積累型濟(jì)麥22根際抗性細(xì)菌數(shù)量高于高積累型冀5265。

(2)土壤污染脅迫使小麥根際優(yōu)勢(shì)菌群發(fā)生改變,濟(jì)麥22根際優(yōu)勢(shì)菌以Arthrobactersp.和Bacillussp.為主,冀5265以Streptomycessp.為主,而非污染土中兩者根際優(yōu)勢(shì)菌群較相似。

(3)低積累型小麥在污染土壤脅迫下根際會(huì)聚集大量產(chǎn)脲酶細(xì)菌和重金屬抗性細(xì)菌,可能與小麥低量吸收積累重金屬及其耐受性有關(guān)。

(4)兩種不同積累型小麥品種的根際微生物群落功能多樣性存在顯著差異,低積累型小麥的根際微生物代謝活性較強(qiáng)。