鄭智勝,黃衛(wèi)紅,陳小塵,黃兆斌,薛喜枚,陳錦江,張秋芳*

(1.泉州師范學(xué)院海洋與食品學(xué)院,福建 泉州 362000; 2.中國科學(xué)院城市環(huán)境研究所,福建 廈門 361021; 3.泉州桐青紅樹林技術(shù)有限公司,福建 泉州 362000)

根際土壤微生物是植物與土壤之間最重要的聯(lián)接者,對(duì)土壤元素循環(huán)和植物營養(yǎng)、植物健康及其對(duì)環(huán)境適應(yīng)性等至關(guān)重要[1]。受植物影響,所形成的“根際效應(yīng)”可以招募適合該生境下的土壤微生物群體[2],在植物地上部、根際分泌物、土壤理化性質(zhì)等因素共同作用下,不同植物物種可以形成獨(dú)特的根際土壤微生物群落[3-4]。細(xì)菌和真菌是組成根際土壤微生物的最主要類群,兩者在生態(tài)系統(tǒng)中的功能不同,細(xì)菌擁有更廣泛的代謝類型,通過自養(yǎng)方式固定大氣中的碳和氮,而真菌大多數(shù)為異養(yǎng)生物,更為依賴現(xiàn)有的環(huán)境資源,且兩者對(duì)植物和土壤的變化響應(yīng)也存在明顯差異[5-7]。

紅樹林分布于潮間帶,具有防風(fēng)消浪、降解污染和維護(hù)生物多樣性等功能[8]。近年來,紅樹林濕地生態(tài)系統(tǒng)正在遭受嚴(yán)重威脅[9-10],而紅樹植物與根際土壤微生物之間互作對(duì)于維持紅樹林生態(tài)平衡尤為重要[11],對(duì)調(diào)節(jié)近海污染環(huán)境恢復(fù)和生態(tài)功能等發(fā)揮著關(guān)鍵作用[12],紅樹林微生物組學(xué)的研究是紅樹林生態(tài)功能研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[13]。紫金?？?Myrsinaceae)的桐花樹(Aegicerascorniculatum)和爵床科(Acanthaceae)的老鼠簕(Acanthusilicifolius)是濱海地區(qū)兩種具有重要生態(tài)功能的紅樹物種,且皆為重要海洋藥用植物,桐花樹根部富含多糖類物質(zhì)[14],老鼠簕根部則以生物堿為主[15],兩者根部活性物質(zhì)成分的差異可能會(huì)影響其根際土壤微生物群落組成。目前已明確了幾種紅樹植物根際土壤微生物特征,但研究中多聚焦于細(xì)菌群落[16-19],對(duì)具有重要生態(tài)功能的真菌研究還較少見,對(duì)桐花樹和老鼠簕根際土壤細(xì)菌和真菌多樣性及其與環(huán)境因子之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。

本研究以細(xì)菌16S rRNA基因和真菌ITS基因?yàn)榉肿訕?biāo)記,借助高通量測(cè)序技術(shù)分別對(duì)桐花樹和老鼠簕根際土壤細(xì)菌和真菌群落組成進(jìn)行分析,明確兩者根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)特征及其與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系,進(jìn)而為探明兩者對(duì)近海微生物生態(tài)功能影響以及相關(guān)功能微生物資源的挖掘和利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集和前處理

采樣區(qū)域位于福建泉州灣河口濕地自然保護(hù)區(qū)的紅樹林濕地(24.949°N,118.686°E),屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,年平均氣溫20.4 ℃,年平均降水量1 095.4 mm,土壤類型以海濱鹽土為主,擁有豐富的紅樹植物物種類型,是重要的濕地資源。分別選取該地區(qū)具有代表性且長(zhǎng)勢(shì)均勻的紅樹植物桐花樹和老鼠簕為研究對(duì)象(采樣區(qū)域?yàn)槿斯ち?兩物種分片區(qū)生長(zhǎng),桐花樹樹齡為21 a,植株高約3～4 m;老鼠簕樹齡為12 a,植株高約1.5 m)。為降低不同海岸線退潮時(shí)間差異的影響,在完全退潮時(shí),垂直于海岸,從岸邊向海(由近到遠(yuǎn))方向,每個(gè)區(qū)域以每10 m為間隔,分別選取4排平行線,每排平行線取4棵長(zhǎng)勢(shì)相同紅樹植株,挖取每株3條健壯根系,清除易脫落根部土壤,只有粘附在根系上的土壤才被認(rèn)為是根際土壤[20],之后將帶有根際土壤的根系裝入無菌自封袋低溫保存,及時(shí)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后,用無菌水振蕩離心后收集根際土壤,將采集到的同一平行線上根系泥土混勻后做為一個(gè)樣品。桐花樹根際土壤的4個(gè)重復(fù)樣品命名為AC組(從岸邊向海依次為AC1、AC2、AC3和AC4);老鼠簕根際土壤樣品為AI組(從岸邊向海依次為AI1、AI2、AI3和AI4)。振蕩離心后將收集的8份根際土壤各分為兩份:一份經(jīng)過低溫凍干研磨過2 mm篩后用于土壤總DNA提取;另外一份風(fēng)干后用于土壤地球化學(xué)分析[21]。

1.2 根際土壤微生物DNA提取和PCR擴(kuò)增

稱取低溫凍干的土壤樣品0.5 g,采用FastDNA Spin Kit (美國MP Biomedicals公司)試劑盒提取總DNA,提取步驟根據(jù)試劑盒說明書進(jìn)行。QubitTM4 Fluorometer (美國Thermo Fisher公司)用于檢測(cè)DNA的含量和質(zhì)量。用帶Barcode條形碼的引物擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA基因的V5—V8序列,第一輪引物為799F(5′-AACMGGATTAGATACCCKG-3′)和1392R(5′-ACGGGCGGTGTGTRC-3′),第二輪引物為799F(5′-AACMGGATTAGATACCCKG-3′)和1193R(5′-ACGTCATCCCCACCTTCC-3′)[22]; 擴(kuò)增真菌ITS基因是帶Barcode條形碼的引物ITS1F(5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3′)和ITS2R(5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′)[23]。16S rRNA基因PCR反應(yīng)條件:95 ℃ 3 min;95 ℃ 30 s,55 ℃ 30 s,72 ℃ 45 s(第一輪27個(gè)循環(huán),第二輪13個(gè)循環(huán)),72 ℃ 10 min;ITS基因PCR反應(yīng)條件:95 ℃ 3 min;95 ℃ 30 s,55 ℃ 30 s,72 ℃ 30 s(30個(gè)循環(huán)),72 ℃ 10 min。最后將通過瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)得到明亮條帶的PCR產(chǎn)物,在MiSeq PE300測(cè)序儀(美國llumina公司)上進(jìn)行高通量測(cè)序(由上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成)。

1.3 土壤理化測(cè)定

稱取風(fēng)干土壤10.0 g,溶于25 mL 1 mol/L KCl 溶液,振蕩30 min后用pH計(jì)測(cè)定土壤pH[21];有效磷(available phosphorous, AP)含量采用碳酸氫鈉溶液浸提后利用鉬銻抗比色法進(jìn)行測(cè)定[21];速效鉀(available potassium, AK)含量采用乙酰胺溶液浸提后使用原子吸收分光光度計(jì)A3(北京普析通用儀器有限責(zé)任公司)進(jìn)行測(cè)定[21];銨態(tài)氮(ammonium nitrogen, NH3-N)含量采用氯化鉀溶液浸提后利用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定[21];總酚(total polyphenol, TPP)含量采用焦磷酸鈉溶液浸提后利用福林酚法測(cè)定[24];利用Elementar元素分析儀(德國Vario MAX公司)對(duì)土壤總碳(total carbon, TC)、總氮(total nitrogen, TN)、總硫(total sulfur, TS)含量進(jìn)行測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

在上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司提供的云平臺(tái)(https://cloud.majorbio.com/)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。將測(cè)得的DNA序列經(jīng)過FLASH v 1.2.11軟件進(jìn)行去雜拼接、去除嵌合體等過濾處理,得到優(yōu)化序列[22-23]。在Uparse v 11軟件平臺(tái)上將相似性超過97%的序列聚為一個(gè)操作分類單位(operational taxonomic units, OTU);采用RDP Classifier v 2.13軟件對(duì)每一條序列進(jìn)行物種分類注釋,對(duì)比SILVA數(shù)據(jù)庫(silva138/16s_bacteria)和UNITE數(shù)據(jù)庫(unite8.0/its_fungi),設(shè)置對(duì)比閾值為0.7[22-23]。在屬水平,利用Mothur v 1.30.2軟件計(jì)算不同隨機(jī)抽樣下的α多樣性指數(shù)(Sobs和Ace指數(shù)表示群落豐富度,Shannon和Simpson指數(shù)表示群落多樣性,Coverage指數(shù)為文庫的覆蓋度)。在OTU水平,利用QⅡME v 1.9.1 軟件進(jìn)行β多樣性的主坐標(biāo)分析(principal coordinates analysis, PCoA)[22-23]。物種稀釋曲線、物種Venn圖分析、物種組成分析和置換多因素方差分析(permutational multivariate analysis of variance, PERMANOVA)、土壤理化性質(zhì)與微生物群落組成的冗余分析(redundancy analysis, RDA)均由R語言v 4.2.0實(shí)現(xiàn)[22-23]。此外,使用R 語言v 4.2.0的vegan和igraph包通過Spearman’s相關(guān)系數(shù)構(gòu)建了土壤理化性質(zhì)與微生物物種的相關(guān)網(wǎng)絡(luò),并認(rèn)為Spearman’s相關(guān)系數(shù)大于 0.6具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)[25]。線性判別分析(linear discriminant analysis, LDA)效應(yīng)大小(LDA effect size, LEfSe)方法用于確定不同樣品之間不同分類水平存在顯著差異的微生物類群。利用SPSS 25.0 軟件的單因素方差分析(One-way ANOVA)的Duncan檢驗(yàn)法對(duì)不同紅樹植物根際土壤理化性質(zhì)、微生物α多樣性指數(shù)及相關(guān)優(yōu)勢(shì)菌門和屬的相對(duì)豐度進(jìn)行差異性分析。除了微生物物種組成餅圖和相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)圖分別由Origin Pro v 2021和Gephi v 0.9.4 軟件進(jìn)行可視化外,本研究中微生物α多樣性箱型圖、Venn圖、PCoA圖和RDA圖均由R 語言v 4.2.0進(jìn)行可視化。

2 結(jié)果與分析

2.1 根際土壤理化性質(zhì)

如圖1所示,兩種紅樹植物根際土壤的各理化性質(zhì)有差異,其中,桐花樹(AC組)根際土壤的 pH、總碳和總酚含量皆顯著高于老鼠簕(AI組)根際土壤(P<0.05);除此之外,總氮、總硫及有效磷的含量AC組也皆高于AI組,但差異未達(dá)到顯著水平;AC組的pH趨于中性,AI組的則呈弱酸性;而AC組的速效鉀和銨態(tài)氮含量低于AI組,同樣差異未達(dá)顯著水平。土壤理化性質(zhì)的差異可能是由兩種紅樹植物產(chǎn)生的根系分泌物以及根際土壤微生物群落組成結(jié)構(gòu)的差異所造成的。

圖1 桐花樹和老鼠簕根際土壤理化性質(zhì)比較Fig. 1 Comparison of physicochemical properties in rhizosphere soils of Aegiceras corniculatum and Acanthus ilicifoliusAC:桐花樹根際土壤,AI:老鼠簕根際土壤,TC:總碳,TN:總氮,TS:總硫,AP:有效磷,AK:速效鉀,NH3-N:銨態(tài)氮,TPP:總酚;“*”表示0.01

2.2 序列統(tǒng)計(jì)及α多樣性分析

所有樣品中細(xì)菌和真菌的最小原始序列數(shù)分別為46 559條和36 194條,將細(xì)菌和真菌的最小原始序列數(shù)應(yīng)用于同一測(cè)序水平下所有樣品的比較。如圖2所示,所有樣品的稀釋曲線在急劇上升后皆變?yōu)槠骄彔顟B(tài),細(xì)菌和真菌Coverage指數(shù)都大于0.99,說明所有樣品的測(cè)序深度合理。經(jīng)分析,所有樣品中共含有細(xì)菌49個(gè)門、123個(gè)綱、266個(gè)目、414個(gè)科、644個(gè)屬和3 175個(gè)OTU,真菌中共含有6個(gè)門、20個(gè)綱、49個(gè)目、93個(gè)科、134個(gè)屬和834個(gè)OTU。由圖3可知,AI組細(xì)菌Sobs、Ace和Shannon指數(shù)均高于AC組,而Simpson指數(shù)低于AC組,其中兩者Sobs和Shannon指數(shù)均存在顯著差異(P<0.05);對(duì)于真菌,AI組的Sobs、Ace和Shannon指數(shù)也皆顯著高于AC組(P<0.05),但Simpson指數(shù)相反(P<0.05)。因此,老鼠簕根際土壤的細(xì)菌和真菌群落豐富度和多樣性顯著高于桐花樹根際土壤的;此外,兩種紅樹植物根際土壤細(xì)菌群落的豐富度和多樣性也皆高于真菌群落的。

圖2 桐花樹和老鼠簕根際土壤細(xì)菌和真菌的稀釋性曲線Fig. 2 Rarefaction curves of bacterial and fungal community composition in the rhizosphere soils of Aegiceras corniculatum and Acanthus ilicifolius

圖3 屬水平下桐花樹和老鼠簕根際土壤細(xì)菌和真菌α多樣性指數(shù)比較Fig. 3 Comparison of α diversity indices of bacteria and fungi in the rhizosphere soil of Aegiceras corniculatum and Acanthus ilicifolius at the genus level

2.3 物種Venn圖分析

Venn圖可以直觀地體現(xiàn)不同樣品之間物種組成的特異性和重疊情況。如圖4所示,屬水平下,共檢測(cè)到兩紅樹物種根際土壤細(xì)菌和真菌物種數(shù)量分別為644個(gè)和134個(gè)。如圖4(a)兩者根際土壤中共有細(xì)菌物種數(shù)量530個(gè),占總物種的82.30%;而 AC組和AI組各自特有細(xì)菌物種的數(shù)量分別為50個(gè)(7.76%)和64個(gè)(9.94%);如圖4(b)兩者共有的真菌物種38個(gè),僅占真菌總數(shù)量的28.36%,AC組和AI組各自單獨(dú)存在的真菌物種數(shù)量分別為31個(gè)(23.13%)和65個(gè)(48.51%)。由此可見,紅樹根際土壤中細(xì)菌物種組成比真菌更穩(wěn)定,兩者間真菌物種組成差異大于細(xì)菌,且老鼠簕根際土壤真菌物種組成比桐花樹根際土壤具更強(qiáng)變異性。

圖4 屬水平下桐花樹和老鼠簕根際土壤細(xì)菌和真菌物種Venn圖Fig. 4 Venn diagram of bacterial and fungal communities in the rhizosphere soils of Aegiceras corniculatum and Acanthus ilicifolius at genus level

2.4 微生物群落組成分析

對(duì)細(xì)菌和真菌群落組成進(jìn)行分析,選擇相對(duì)豐度大于1%的物種進(jìn)行分類,豐度小于1%的物種歸為其他(Others)。如圖5所示,門水平下,AC組和AI組的細(xì)菌被歸類到了14個(gè)相同優(yōu)勢(shì)門,變形菌門(Proteobacteria)皆為第一優(yōu)勢(shì)菌,相對(duì)豐度分別為44.75%和36.12%,其次是擬桿菌門(Bacteroidota),AC組和AI組的相對(duì)豐度分別為14.41%和21.21%,以及脫硫桿菌門(Desulfobacterota),AC組和AI組的相對(duì)豐度分別為8.27%和14.64%,而其他優(yōu)勢(shì)菌的均低于5.00%。AC組和AI組的真菌都被歸類為6個(gè)相同優(yōu)勢(shì)門,真菌界未分類門(unclassified_k_Fungi, 51.13%)為AC組的第一優(yōu)勢(shì)門,而子囊菌門(Ascomycota, 51.04%)是AI組的第一優(yōu)勢(shì)門。此外,兩者的擔(dān)子菌門(Basidiomycota)、壺菌門(Chytridiomycota)、羅茲菌門(Rozellomycota)和球囊菌門(Glomeromycota)相對(duì)豐度皆存在顯著差異。表明盡管兩者的細(xì)菌優(yōu)勢(shì)物種的組成和豐度相似性較高,但兩者相對(duì)豐度存在明顯差異。表明兩者的細(xì)菌優(yōu)勢(shì)物種的組成和豐度相似性較高;而真菌優(yōu)勢(shì)物種組成種類雖然相同,但兩者相對(duì)豐度存在明顯差異。

圖5 門水平下桐花樹和老鼠簕根際土壤細(xì)菌與真菌群落組成Fig. 5 Bacterial and fungal community composition in the rhizosphere soils of Aegiceras corniculatum and Acanthus ilicifolius in phylum level(a)和(c)分別為桐花樹根際土壤細(xì)菌和真菌群落組成;(b)和(d)分別為老鼠簕根際土壤細(xì)菌和真菌群落組成。

如圖6所示, 屬水平下,AC組和AI組細(xì)菌分別被歸類為22個(gè)和21個(gè)優(yōu)勢(shì)菌,其中,AC組中已鑒定的優(yōu)勢(shì)屬有伍斯菌屬(Woeseia,3.48%)、Limibaculum屬(1.92%)、硝化螺菌屬(Nitrospira,1.50%)、Sva0081_sediment_group屬(1.09%)和Denitromonas屬(1.73%),AI組中已鑒定的優(yōu)勢(shì)屬只有伍斯菌屬(Woeseia,2.44%)和Sva0081_sediment_group屬(1.22%),但兩者未鑒定到的物種皆超過了總量的35.00%。對(duì)真菌而言,AC組和AI組分別被歸類為6個(gè)和14個(gè)的優(yōu)勢(shì)屬,AC組中含有的已知優(yōu)勢(shì)物種有曲霉屬(Aspergillus,7.06%)和小脆柄菇屬(Psathyrella,4.86%),AI組中有曲霉屬(Aspergillus,9.99%)、小脆柄菇屬(Psathyrella,11.41%)、枝孢菌屬(Cladosporium,4.28%)、交鏈孢屬(Alternaria,3.98%)、囊狀擔(dān)子菌屬(Cystofilobasidium,3.31%)、Lulwoana屬(2.38%)和Neodevriesia屬(1.04%),另外,未知真菌unclassified_k_Fungi物種和糞殼菌綱未分類的unclassified_c_sordariomycetes屬在AC組中相對(duì)豐度分別高達(dá)51.13%和22.50%,AI組中也達(dá)到了15.79%和10.47%,相對(duì)豐度均超過10.00%,值得今后進(jìn)一步研究。以上結(jié)果說明,兩者根際土壤中,除了存在已被鑒定到的物種外,還含有大量未知細(xì)菌和真菌物種需要進(jìn)一步去挖掘鑒定。

圖6 屬水平下桐花樹和老鼠簕根際土壤細(xì)菌與真菌群落組成Fig. 6 Bacterial and fungal community composition in the rhizosphere soils of Aegiceras corniculatum and Acanthus ilicifolius in genus level(a)和(c)分別為桐花樹根際土壤細(xì)菌和真菌群落組成;(b)和(d)分別為老鼠簕根際土壤細(xì)菌和真菌群落組成。

2.5 β多樣性分析

對(duì)兩紅樹物種的根際土壤細(xì)菌和真菌分別進(jìn)行PCoA和置換多元方差PERMANOVA分析。基于Bray-Curtis距離算法的PCoA結(jié)果表明,細(xì)菌的第一和第二軸解釋度分別為54.60%和12.32%,總和為66.92%[圖7(a)];真菌的第一和第二軸解釋度分別為47.10%和18.62%,總和為65.72%[圖7(b)]。PERMANOVA分析結(jié)果顯示細(xì)菌(R2=0.499,P=0.036)和真菌(R2=0.464,P=0.030)群落組成差異皆達(dá)到顯著水平。說明了根際土壤細(xì)菌和真菌群落組成因紅樹植物物種影響而產(chǎn)生了顯著差異。

圖7 屬水平下桐花樹和老鼠簕根際土壤細(xì)菌和真菌群落PCoA分析Fig. 7 PCoA analysis of bacterial and fungal community in genus level in rhizosphere soils of Aegiceras corniculatum and Acanthus ilicifolius

2.6 細(xì)菌和真菌物種差異比較

采用LEfSe方法分析兩紅樹植物之間根際土壤微生物在不同分類水平上的相對(duì)豐度在統(tǒng)計(jì)學(xué)上達(dá)顯著差異的菌群。如圖8(a)所示,與AI組相比,AC組有5個(gè)細(xì)菌譜系物種顯著富集,如變形菌門中的γ-變形菌綱(Gammaproteobacteria)、伯克氏菌目(Burkholderiales)和Denitromonas屬;硝化螺菌門的硝化螺菌目(Nitrospirales)和硝化螺菌屬等。與AC組相比,AI組有4個(gè)譜系物種顯著富集,如脫硫桿菌門的脫硫桿菌綱(Desulfobulbia)、脫硫桿菌目(Desulfobulbales)和脫硫桿菌科未分類屬(norank_f_Desulfobulbaceae);擬桿菌門的Labilibacter屬、Flavobacterium屬和Gramella屬等。如圖8(b)真菌中,AC組只有1個(gè)譜系即unclassified_k_Fungi門下未分類的菌群含量顯著高于AI組,而AI組有8個(gè)譜系物種顯著富集,包括子囊菌門的座囊菌綱(Dothideomycetes)、煤炱目(Capnodiales)、枝孢菌科(Cladosporiaceae)、枝孢菌屬、Lulwoana屬和Colletotrichum屬等;擔(dān)子菌門中的銀耳綱(Tremellomycetes)、銀耳目(Tremellales)和囊狀擔(dān)子菌屬等。

圖8 根際土壤細(xì)菌和真菌LEfSe分析的進(jìn)化分支圖Fig. 8 Linear discriminant analysis (LDA) effect size taxonomic cladogram of the discriminants comparing bacteria and fungi in the rhizosphere soils 圖中LDA值>3.5。

2.7 土壤理化性質(zhì)對(duì)微生物的影響

微生物群落組成與土壤理化性質(zhì)關(guān)系的RDA冗余分析結(jié)果表明,細(xì)菌和真菌的RDA前兩軸累計(jì)方差解釋比分別為75.21%[圖9(a)]和68.82%[圖9(b)]。其中,pH(P=0.033)和TPP含量(P=0.041)顯著影響細(xì)菌群落組成,而TC含量(P=0.045)和TS含量(P=0.017)則顯著影響真菌群落組成。

圖9 根際土壤細(xì)菌和真菌群落組成與土壤理化性質(zhì)的冗余分析Fig. 9 RDA analysis between soil bacterial and fungal community composition and environmental factors

屬水平上,土壤理化性質(zhì)分別與相對(duì)豐度在前50的細(xì)菌和真菌物種進(jìn)行相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)分析。結(jié)果表明:對(duì)細(xì)菌[圖10(a)]而言,pH對(duì)最多數(shù)量細(xì)菌物種產(chǎn)生顯著影響,其次依次為TC、TN、TS、TPP、AP、NH3-N和AK,其中,土壤理化性質(zhì)與硝化螺菌屬、Denitromonas屬和Limibaculum屬呈顯著正相關(guān),與脫硫桿菌屬、Labilibacter屬和Draconibacteriu屬呈顯著負(fù)相關(guān);對(duì)真菌而言[圖10(b)],TPP是對(duì)最多真菌物種產(chǎn)生顯著影響的因子,其次依次是pH、TC、TN、TS、AK、AP和NH3-N,枝孢菌屬、囊狀擔(dān)子菌屬、Lulwoana屬、Kluyveromyces屬和Colletotrichum屬等真菌屬與土壤理化性質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)?？偟膩碚f,細(xì)菌中受土壤理化性質(zhì)顯著影響的物種數(shù)量低于真菌,但與細(xì)菌產(chǎn)生正相關(guān)的物種數(shù)量多于負(fù)相關(guān)的,而真菌則相反。

圖10 根際土壤細(xì)菌和真菌物種與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性網(wǎng)絡(luò)分析Fig. 10 Correlation network analysis between the relative abundance of the bacterial and fungal taxa with environmental factors in the rhizosphere soils圖中默認(rèn)顯示P<0.05的物種,節(jié)點(diǎn)大小表示物種相關(guān)性大小,同一顏色的節(jié)點(diǎn)隸屬于同一個(gè)菌門;連線的顏色代表正負(fù)相關(guān)性,紅色代表正相關(guān),藍(lán)色代表負(fù)相關(guān)。

3 討論

紅樹植物桐花樹和老鼠簕不僅具有重要生態(tài)功能,還可作為重要海洋藥用植物資源,根際土壤微生物是聯(lián)接植物地上和地下土壤重要橋梁,且受植物類型和土壤性質(zhì)的共同作用,被認(rèn)為是植物的第二基因組[26]。

本研究發(fā)現(xiàn)兩種紅樹植物之間根際土壤細(xì)菌和真菌多樣性皆存在顯著差異,可能與不同紅樹物種在生長(zhǎng)過程中所形成的不同土壤微生態(tài)環(huán)境有關(guān)[27-28],如酸堿度、酚類物質(zhì)和總碳等在兩紅樹物種根際土壤之間均存在顯著差異(圖1),Gomes等[19]對(duì)白骨壤(Avicenniaschaueriana)和對(duì)葉欖李(Lagunculariaracemosa)兩種紅樹植物根際土壤細(xì)菌的研究也發(fā)現(xiàn)不同紅樹物種能夠?qū)ζ涓H微生物群落組成產(chǎn)生選擇性。本研究中桐花樹和老鼠簕的根際土壤細(xì)菌多樣性(Shannon指數(shù)為1.0～5.2)低于秋茄(Kandeliacandel)、擬海桑(Sonneratiagulngai)和白骨壤等其他紅樹物種(Shannon指數(shù)為5.6～11.0)[17-18],老鼠簕根際土壤細(xì)菌和真菌的多樣性和豐富度皆高于桐花樹的(圖3、4)。通常認(rèn)為真菌能優(yōu)先降解大分子有機(jī)物質(zhì),從而生成可為細(xì)菌提供所需養(yǎng)分的小分子化合物[5-7];老鼠簕根部富含小分子生物堿,桐花樹則富含多糖類大分子物質(zhì)[14-15];可以推測(cè)老鼠簕根際富集著更多的與降解大分子相關(guān)的真菌群落,為細(xì)菌群落生長(zhǎng)提供更多的小分子化合物,這可能是老鼠簕根際土壤細(xì)菌和真菌的豐富度和多樣性高于桐花樹的重要原因。

根際微生物在生物地球化學(xué)元素循環(huán)中起著重要作用。桐花樹和老鼠簕的根際土壤微生物有著共同的優(yōu)勢(shì)菌門和屬(圖5、6),但相對(duì)豐度有所差異,這與之前對(duì)其他紅樹物種的研究結(jié)果非常相似[16-19]。土壤pH、TPP、TC、TN和TS是主要影響細(xì)菌和真菌物種的環(huán)境因子,大多數(shù)細(xì)菌物種與其呈顯著正相關(guān),而真菌則剛好相反(圖10)。細(xì)菌中,pH是影響細(xì)菌物種最主要的環(huán)境因子,這與珠江口岸紅樹林土壤理化因子對(duì)細(xì)菌影響的結(jié)果一致[29]。變形菌門在桐花樹和老鼠簕根際土壤中皆為第一優(yōu)勢(shì)菌門(圖5),在土壤碳、氮和硫循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[30],氮增加會(huì)降低土壤細(xì)菌多樣性從而導(dǎo)致富營養(yǎng)類群變形菌門菌群豐度的提高[31],桐花樹根際土壤微生物多樣性低于老鼠簕的原因可能與桐花樹根際土壤TN的含量高于老鼠簕有關(guān)。桐花樹根際富集著在氮循環(huán)過程中起著重要作用的反硝化菌Denitromonas屬和硝化螺菌屬[32-33],而老鼠簕根際土壤中富含的擬桿菌門和脫硫桿菌門,能分別促進(jìn)鉀吸收[2]和硫還原[34],由此推測(cè),桐花樹根際微生物促氮循環(huán)作用可能高于老鼠簕,而老鼠簕根際土壤微細(xì)菌與紅樹植物白骨壤和對(duì)葉欖李更有相似性[19],都富集了硫還原的菌群。多酚是影響真菌物種最主要的環(huán)境因子,其含量與兩紅樹植物根際土壤的真菌物種呈顯著負(fù)相關(guān),Sasse等[28]認(rèn)為在根系分泌物中高含量的酚酸物質(zhì)可能是導(dǎo)致相關(guān)抗真菌物質(zhì)產(chǎn)生的關(guān)鍵因素,從而推測(cè)桐花樹根際土壤中高含量酚類物質(zhì)是導(dǎo)致子囊菌門和擔(dān)子菌門豐度顯著低于老鼠簕的原因。富集的子囊菌門和擔(dān)子菌門在土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量傳遞過程中起著重要作用,子囊菌門多為對(duì)降解土壤有機(jī)質(zhì)等大分子物質(zhì)有著重要作用的腐生菌,而擔(dān)子菌門常與植物共生形成菌根可促進(jìn)植物對(duì)鉀等的吸收和利用[35-36],從圖10(b)中也可以看出子囊菌門和擔(dān)子菌門與速效鉀呈顯著正相關(guān)。由此可見,桐花樹和老鼠簕根際土壤中富集著不同功能微生物菌群分別起著不同生態(tài)作用。因此,在紅樹林生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)用于生態(tài)工程修復(fù)建設(shè)的過程中,可以參考和結(jié)合不同物種紅樹林所具備的功能微生物組特征對(duì)近海區(qū)域應(yīng)用紅樹植物進(jìn)行環(huán)境修復(fù)種植時(shí)應(yīng)因地制宜,對(duì)不同物種進(jìn)行合理配置。

此外,兩種紅樹植物根際土壤中可能含有豐富的微生物藥物資源,如共同富含的伍斯菌屬,能夠在高鹽海洋環(huán)境下生長(zhǎng)且可產(chǎn)生多種抗生素[37],在其他紅樹植物中也是主要優(yōu)勢(shì)菌屬[17-18]。老鼠簕根際土壤富集的優(yōu)勢(shì)菌屬枝孢菌屬可作為抗腫瘤藥物資源[38]。此外,桐花樹根際土壤中富集著大量(大于50%)還未被確定分類的真菌物種(圖6),今后可結(jié)合其根部高含量多糖等特點(diǎn)[14],進(jìn)一步探討該未知真菌物種在多糖物質(zhì)合成中的作用。因此,桐花樹和老鼠簕根際土壤微生物資源可能具有很高應(yīng)用和開發(fā)潛力。

本研究利用高通量測(cè)序技術(shù)獲得的兩紅樹物種根際土壤微生物群落組成相關(guān)信息,并結(jié)合土壤理化指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析,但根際土壤微生物群落組成可能還受到植物的根系分泌物、葉片凋落物、生長(zhǎng)發(fā)育階段及基因型等因素影響[39],因此在今后探討紅樹根際土壤細(xì)菌和真菌群落特征中,可以此為基礎(chǔ)結(jié)合更多因素進(jìn)行分析。

4 結(jié)論

本研究利用高通量測(cè)序技術(shù)獲得桐花樹和老鼠簕根際土壤微生物群落組成,發(fā)現(xiàn)兩者之間根際土壤細(xì)菌和真菌組成皆存在顯著差異(P<0.05),老鼠簕的微生物多樣性和豐富度均顯著高于桐花樹(P<0.05);桐花樹根際土壤pH、總碳和總酚含量皆顯著高于老鼠簕,pH值和總酚顯著影響細(xì)菌群落組成,總碳和總硫則顯著影響真菌群落組成;細(xì)菌物種主要受到pH、總碳和總氮的顯著影響,而真菌物種則主要受到總酚、pH和總碳的顯著影響。