根系分泌碳输入对刺槐凋落叶细菌群落结构的影响.pdf
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1、Hans Journal of Soil Science 土壤科学土壤科学,2023,11(3),157-167 Published Online July 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/hjss https:/doi.org/10.12677/hjss.2023.113020 文章引用文章引用:胡凯,王微.根系分泌碳输入对刺槐凋落叶细菌群落结构的影响J.土壤科学,2023,11(3):157-167.DOI:10.12677/hjss.2023.113020 根系分泌碳输入对根系分泌碳输入对刺槐刺槐凋落叶细菌凋落叶细菌群落群落结构的结
2、构的影响影响 胡胡 凯,王凯,王 微微*重庆文理学院园林与生命科学学院,重庆 收稿日期:2023年6月20日;录用日期:2023年7月21日;发布日期:2023年7月28日 摘摘 要要 为深入理解根系分泌碳输入对凋落物分解细菌群落的调节作用,在刺槐凋落叶分解环境中添加不同浓度为深入理解根系分泌碳输入对凋落物分解细菌群落的调节作用,在刺槐凋落叶分解环境中添加不同浓度的模拟根系分泌物碳溶液的模拟根系分泌物碳溶液(每每g土壤添加土壤添加CK 0 mg、L 0.27 mg、M 0.54 mg、H 1.08 mg碳碳),通过,通过45 d的的室内培养后,采用室内培养后,采用16S rRNA测序研究外源根
3、系分泌碳对刺槐凋落叶表面细菌群落的影响。结果表明:测序研究外源根系分泌碳对刺槐凋落叶表面细菌群落的影响。结果表明:1)各处理间细菌群落的丰富度无差异,但中、高浓度各处理间细菌群落的丰富度无差异,但中、高浓度(M和和H)的分泌碳输入显著提高了其多样性。的分泌碳输入显著提高了其多样性。2)变形变形菌 门菌 门(Proteobacteria)、浮 霉状菌门、浮 霉状菌门(Planctomycetes)、放线 菌门、放线 菌门(Actinobacteria)、拟杆菌 门、拟杆菌 门(Bacteroidetes)和酸杆菌门和酸杆菌门(Acidobacteria)是刺槐凋落物的主要分解细菌类群。是刺槐凋落
4、物的主要分解细菌类群。3)变形菌门和放线菌变形菌门和放线菌门的丰度对于分泌碳输入浓度的响应特征具有低促高抑的现象;同时较高浓度的根系分泌碳输入处理门的丰度对于分泌碳输入浓度的响应特征具有低促高抑的现象;同时较高浓度的根系分泌碳输入处理(H)促进了拟杆菌门的繁殖。促进了拟杆菌门的繁殖。4)刺槐凋落叶表面细菌功能群以化学异养和好氧化学异养为主,固氮类、碳氢刺槐凋落叶表面细菌功能群以化学异养和好氧化学异养为主,固氮类、碳氢化合物降解类和纤维素分解类功能基因的丰度随着输入分泌碳浓度的增加而逐步提高。研究结果有助于化合物降解类和纤维素分解类功能基因的丰度随着输入分泌碳浓度的增加而逐步提高。研究结果有助于
5、理解根系分泌物对凋落物降解细菌群落的影响机制,为深入揭示根系理解根系分泌物对凋落物降解细菌群落的影响机制,为深入揭示根系微生物微生物凋凋落物降解互作效应提落物降解互作效应提供一定理论依据。供一定理论依据。关键词关键词 根系分泌碳,凋落叶,分解,细菌群落结构根系分泌碳,凋落叶,分解,细菌群落结构 Effects of Root Exudation Carbon Inputs on the Structure of Bacterial Microbial Communities during Symplocos Lucida Litter Decomposition Kai Hu,Wei Wang
6、*College of Landscape Architecture and Life Science,Chongqing University of Arts and Sciences,Chongqing *通讯作者。胡凯,王微 DOI:10.12677/hjss.2023.113020 158 土壤科学 Received:Jun.20th,2023;accepted:Jul.21st,2023;published:Jul.28th,2023 Abstract To understand how root exudates influence litter decomposition in
7、forest ecosystems,different concentrations of simulated root exudate carbon solutions(CK 0,L 0.27,M 0.54,H 1.08 mg C per gram of soil)were added to the Symplocos lucida litter decomposition environment.After 45 days of laboratory incubation,the impact of different carbon input levels on the bacteria
8、l community was assessed using 16S rRNA sequencing.The results showed that:1)There was no significant difference in the richness of bacterial communities among the treatments,but the input of me-dium and high concentrations(M and H)of exudate carbon significantly increased their diversity.2)Proteoba
9、cteria,Planctomycetes,Actinobacteria,Bacteroidetes,and Acidobacteria were the main bacterial phyla involved in the decomposition of Symplocos lucida litter.3)The abundance of Proteobacteria and Actinobacteria exhibited a low promotion-high inhibition response to the concentration of exudate carbon i
10、nput.Additionally,the higher concentration of root exudate carbon input(H)promoted the proliferation of Bacteroidetes.4)The functional groups of bacteria on the surface of Symplocos lucida litter were primarily associated with chemoheterotrophy and aerobic chemoheterotrophy.The abundance of function
11、al genes related to nitrogen fixation,hy-drocarbon degradation,and cellulolysis increased gradually with the increase in exudates carbon input concentration.Overall,these research findings contribute to the understanding of the me-chanisms by which root exudates influence the bacterial community inv
12、olved in litter decomposi-tion.They also provide a theoretical basis for further revealing the interactions among roots,mi-croorganisms,and litter decomposition processes.Keywords Root Exudation Carbon,Leaf Litter,Decomposition,Bacteria Microbial Community Copyright 2023 by author(s)and Hans Publish
13、ers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 根系分泌物作为森林土壤碳库的主要来源和媒介1,是构成根际微生态系统活力与功能特征的内在驱动因素2,对于根际生态过程调控和地下生态系统功能具有重要影响3。植物根系在生长期所分泌的大量活性有机碳化合物,可为土壤微生物提供重要且丰富的碳源和能源4,促进微生物群落繁殖,提高有机质降解速率,从而深刻地影响土
14、壤养分代谢过程5 6。正是由于根系分泌物在调控根际微生态系统结构与功能方面重要作用,森林地下根际是土壤生物地球化学循环过程的热点区域。凋落物分解过程中产生大量的养分元素和凋落物层良好的透水性和持水能力使得根系向凋落物层生长是多种森林生态系统普遍存在而易被忽视的现象7。有研究发现,根系在凋落物层生长时可通过机械碎裂凋落物物理结构8和释放分泌物影响微生物群落结构,加快凋落物分解9 10。根源 C 输入及其介导的根系微生物凋落物分解互作效应已成为森林生态系统碳循环研究中一个非常重要而又缺乏了解的关键环节11。在前期研究中我们通过定量 PCR 等实验证实少量根系分泌物碳输入(每 g 土中添加碳低于 1
15、.2 mg)可Open AccessOpen Access胡凯,王微 DOI:10.12677/hjss.2023.113020 159 土壤科学 提高凋落物表面微生物特别是真菌基因拷贝数量,促进微生物代谢活力,产生正激发效应,加速凋落物的分解12。在野外实验中也发现根系处理对凋落物表面细菌数量影响不显著,但凋落物分解细菌所分泌胞外酶差异显著13。我们猜测在根系生长过程中根系分泌物碳输入对微生物群落结构具有选择塑造作用,其中细菌群落能够对碳输入进行迅速响应,凋落物分解的优势细菌类群随着时间和根系分泌碳浓度差异发生显著变化。为进一步理解该过程中外源输入根系分泌碳对凋落物表面优势细菌类群及功能的影
16、响特征,本研究以中亚热带常绿阔叶林优势种刺槐(Symplocos lucida)凋落叶为研究对象,通过人工添加根系分泌有机碳复合物,利用 16S rRNA 测序技术研究不同浓度根系分泌物碳添加对凋落物分解过程中细菌群落动态的影响,探讨不同优势细菌类群对碳源的响应特征,为深入揭示根系生长对森林凋落物分解影响的微生物学机理提供一定的科学依据。2.材料与方法材料与方法 2.1.采集地概况及实验材料采集地概况及实验材料 采集地为重庆市缙云山国家级自然保护区(294825295153N,10620181062442E),缙云山位于亚热带常绿落叶和针阔混交林植被地带,海拔 200952.5 m,森林覆盖率
17、达 96.6%。在常绿阔叶林内收集优势树种刺槐的新鲜凋落叶,风干,避开主脉用无菌打孔器(内径 6 mm)剪成小圆片,作为供试材料。供试土壤取自相同采样点腐殖质层下方土壤,去除土壤中植物碎屑、死根等杂质,风干后过 2 mm 筛备用。2.2.人工模拟根系分泌碳溶液制备人工模拟根系分泌碳溶液制备 根据 de Graaff 等14的方法制备模拟根系分泌碳母液。溶液包含了根系分泌物中最常见的含碳化合物,主要包括:葡萄糖,果糖,木糖,草酸,延胡索酸,琥珀酸,乙酸,L-脯氨酸,L-精氨酸,L-甘氨酸,丝氨酸和谷氨酸,其总碳含量为 2.86 mg/mL。根据我们前期实验研究12,利用无菌蒸馏水稀释制备不同碳浓
18、度的模拟根系分泌物溶液:CK(0 mg/L)、L(150 mg/L,低浓度)、M(300 mg/L,中浓度)、H(600 mg/L,高浓度)。2.3.实验设计实验设计 为模拟凋落叶在野外的分解过程,本实验参考相关文献中分解袋处理法12 15,将供试土壤 10 g放入培养皿(内径 9 cm)内,在土壤层上方平铺刺槐凋落叶(2 g)并轻轻压实,使其与土层充分接触。每间隔 5 d 加入对应处理的模拟根系分泌碳溶液 2 ml 以维持外源碳持续输入,每种处理 3 次重复。培养皿放入置于温度 25、相对湿度 50%的智能气候箱中培养处理,试验布置完毕后开始计算天数,共培养 45 d使分泌碳添加最终加入量为
19、每 g 风干土中添加碳:CK-0 mg,L-0.27 mg,M-0.54 mg,H-1.08 mg。2.4.凋落叶表面微生物总凋落叶表面微生物总 DNA 的提取与的提取与 16s rRNA 测序测序 使用试剂盒 UltraCleanTM Soil DNA Isolation Kit(MoBio,Carlsbad,CA,USA)提取凋落叶表面总 DNA。总 DNA 送至广州基迪奥生物技术公司,利用带 barcode 的特异性引物对 16S rDNA V3+V4 区进行扩增测序。引物序列为:341F:CCTACGGGNGGCWGCAG;806R:GGACTACHVGGGTATCTAAT。测序数据处
20、理参考 Liu 等方法16,采用 EasyAmplicon 分析流程:利用 USEARCH 10.0 对所有有效序列进行去噪获得操作分类单元 OTU(operational taxonomic units);依据 RDP 2.11 数据库进行物种注释后多样性分析,使用 Greengenes 13_8 对 OTUs 进行物种注释后功能预测;使用 USEARCH 和 R 4.2.0 对上述 OTUs 表进行多样性分析,包括 Alpha 多样性、Beta 多样性和基于 BrayCurtis 指数(Bray-Curtis 相似胡凯,王微 DOI:10.12677/hjss.2023.113020 16
21、0 土壤科学 性系数矩阵)的限制性主坐标分析(CPCoA);对不同处理的细菌群落组间分析采用线性判别分析(LEfSe,默认设置 LDA Score 的筛选值为 4)17和基于 FAPROTAX 的群落功能预测分析18。所有数据预处理和绘图采用 ggplot2 包和 STAMP 2.13 完成。3.结果与分析结果与分析 3.1.凋落叶细菌群落丰度及多样性分析凋落叶细菌群落丰度及多样性分析 本试验 12 份凋落叶样本中,含有 1,151,388 条高质量序列,平均碱基长度为 244 bp,共检测到 4126个 OTUs,其中 4 种处理共有 OTUs1747 个,占全部 OTUs 分布的 42.3
22、%。与对照(CK)相比,添加外源根系分泌碳溶液后,Chao1 丰富度指数(Chao1 richness estimator,Chao1)和 ACE 指数无显著差异,表明凋落叶表面细菌群落丰富度无显著差异。中高浓度(M 和 H)的外源根系分碳输入后,Shannon 多样性指数(Shannons Diversity Index,SHDI)和 Simpson 多样性指数与 CK 相比具有显著差异,说明中高浓度碳输入提高了凋落叶表面细菌群落的多样性,结果见表 1。Table 1.Statistical analysis of bacterial community alpha diversity of
23、 leaf litter 表表 1.凋落叶表面细菌群落-多样性指数 序列数 OTUs chao1 指数 ACE 指数 Shannon 指数 Simpson 指数 CK 97770 17492 a 3737.56 71.67a 3710.02 73.46a 5.97 0.02ab 0.98 0.01ab L 94655 11963 a 3755.02 60.10a 3755.91 45.94a 5.62 0.12b 0.96 0.01b M 94966 9289 a 3805.34 9.64a 3784.82 7.69a 6.22 0.14a 0.98 0.02ac H 96404 7286 a
24、 3886.66 17.14a 3858.29 9.42a 6.94 0.04c 0.99 0.001c 为进一步分析各组之间共有和特有的 OTUs 的数量情况,根据等量重抽样数据(每处理组抽样序列为62,870)绘制了韦恩图(图 1A)。根据平均丰度大于 0.1%进行筛选,共检测到 234 个 OTUs,4 种处理(H,M,L,CK)中特有细菌 OTUs 水平存在差异,分别为 14.1%、5.1%、1.7%、13.2%。以 Bray-Curtis 距离进行限制性主坐标(CPCoA)分析不同浓度模拟根系分泌碳输入后凋落叶表面细菌群落结构的差异。结果显示 Figure 1.Diversity d
25、ata analysis of bacteria community on the surface of leaf litter;A.Venn diagram based on OTUs in each treatment;B.Constrained principal coordinate analysis of different treatments based on beta diversity matrix distances(Bray-Curtis)图图 1.凋落叶表面细菌的多样性数据分析图;A、不同处理组独有及共有 OUTs 韦恩图;B、不同处理组基于-多样性矩阵距离(Bray-
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