设施蔬菜土壤细菌群落结构及多样性分析.pdf

资源 环境 13 承德市地处燕山山脉 属气候冷凉地区 蔬菜 种植主要以设施大棚为主 但在实际生产过程中 设施蔬菜土壤经过长期的种植 过量施用肥料 氮 磷钾比例失衡等 造成了土壤质量下降 土壤微生 物数量减少等一系列问题 这严重破坏了设施土壤 微生物区系 进而影响土壤肥力和蔬菜产量 制约 设施农业的可持续发展 土壤微生物能够参与生态 系统的养分循环 维持土壤结构并调节作物生长 它能较早地预测土壤质量的变化 是土壤质量变化 最敏感的指标 也是土壤健康的决定性因素 1 因此 了解土壤微生物多样性和群落组成 对设施蔬菜土 壤质量的提升有重要作用 对促进设施蔬菜可持续 高效生产具有重要意义 目前 国内外关于设施蔬 菜土壤环境质量的研究主要集中在肥力 酶活性等 方面 2 对设施蔬菜土壤微生物多样性的比较研究相 对较少 本研究以青椒 番茄 黄瓜三种设施蔬菜 土壤为研究对象 探究其微生物多样性 为改善设 施蔬菜土壤环境 提高土壤肥力提供理论依据 1 材料与方法 1 1 样品采集 2020年4月于平泉市设施蔬菜种植大棚 采用五 点取样法 每种蔬菜按照梅花形确定5个采样点 选取生长良好的植株 采用抖落法取水平深度 0 10 cm蔬菜根际土壤约100 g 待5个采样点全部 取完后充分混匀 装入密封袋中 带回实验室 备用 土壤理化性质见表1 表 1 土壤理化性质 编号 蔬菜种类 含水量 pH 有机质 全氮 PYH 黄瓜 14 4 6 0 25 8 0 9 PHX 番茄 18 1 6 5 35 2 1 2 PBQ 青椒 20 0 7 0 38 2 1 3 1 2 土壤DNA提取及测序 采用四分法取土壤样品200 mg 500 mg于 灭菌离心管中 采用E Z N A TM Mag Bind Soil DNA Kit试剂盒提取土壤样品DNA 并检测样品 DNA的浓度和质量 利用细菌16SV3 V4区引物 341F 5null CCTACGGGNGGCWGCAG 3null 和805R 5 null GACTACHVGGGTATCTAATCC 3null 进行扩增 反应体 系为 15 L 2 Hieff R Robust PCR Master Mix 1 L Primer F 1 L Primer R 20 ng PCR products 加水补 足至30 L 扩增条件为94 3 min 94 30 s 45 20 s 65 30 s 5个循环 94 20 s 55 20 s 72 30 s 20个循环 72 5 min 第二轮扩增 引 入Illumina桥式PCR兼容引物 PCR扩增产物经琼脂糖 凝胶电泳检测后 应用Illumina Miseq平台进行高通量 测序 测序工作由生工生物工程 上海 股份有限 公司完成 1 3 数据分析 选取97 相似水平下的OTU进行生物信息统计分 析 采用Moheur软件进行Alpha多样性分析 包括计 算群落分布多样性的Shannon指数和Simpson指数 以 及计算群落分布丰度的Chao1指数和ACE指数 用R 语言工具统计各样本物种组成及相对丰度 并绘制 柱状图 2 结果与分析 2 1 不同种类设施蔬菜土壤细菌Alpha多样性比较 PBQ PHX PYH三个样本Alpha多样性结 果见表2 三种设施蔬菜土壤样本PBQ PHX PYH中细菌OTU数分别为4 790 3 655 3 266 样本所建的文库覆盖率均在95 以上 说明测序 结果比较可靠 能够有效反映样本环境 细菌的 Shannon指数 ACE指数和Chao1指数从高到低依次为 PBQ PHX PYH 且PBQ样本中Simpson指数最低 设施蔬菜土壤细菌群落结构及多样性分析 张 婷 1 聂晶晶 2 李海燕 1 李新畅 1 巴金磊 1 1 承德市农林科学院 河北 承德 067000 2 河北民族师范学院 河北 承德 067000 摘要 为明确不同种类设施蔬菜土壤微生物多样性 利用高通量测序技术对不同种类设施蔬菜土壤细菌 V3 V4 区进行测定 分析不同设施蔬菜土壤细菌群落特点 结果表明 不同种类蔬菜土壤细菌多样性不同 青椒土 壤细菌多样性最高 黄瓜土壤细菌多样性最低 物种分类显示 青椒土壤中细菌隶属于33门 68纲 112目 231科 533 属 番茄土壤细菌隶属于 30 门 62 纲 102 目 209 科 455 属 黄瓜土壤细菌隶属于 28 门 62 纲 105 目 216科 518属 其中青椒与番茄土壤理化性质相近 群落结构相似 而黄瓜土壤有机质和全氮含量较低 且弱酸高盐 土壤群落结构与前两者差异较大 关键词 设施蔬菜 土壤细菌 群落结构 多样性 中图分类号 S316 S154 3 文献标识码 A 收稿日期 2021 12 10 基金项目 河北省重点研发计划项目 21327306D 承德市科学技术研究与发展计划项目 202103B003 作者简介 张 婷 1992 女 河北石家庄人 硕士 助理研究员 研究方向 农业应用微生物 张 婷 等 设施蔬菜土壤细菌群落结构及多样性分析 资源 环境 14 农村经济与科技 2022 年第 33 卷第 5 期 总第 529 期 说明设施青椒的土壤中微生物多样性和丰富度较 高 结果同OTU数一致 表 2 土壤细菌 Alpha 多样性指数 样品 OTU Shannon指数 Simpson指数 ACE Chao1 覆盖率 PBQ 4 790 6 91 0 003 4 6 332 036 196 70 97 PHX3 655 6 82 0 003 5 5 492 735 456 19 95 PYH3 266 5 75 0 0167 4 761 414 640 34 97 2 2 不同种类设施蔬菜土壤细菌群落组成 通过不同种类设施蔬菜土壤细菌OTU分析的结 果来看 PBQ中细菌群落隶属于33门 68纲 112 目 231科 533属 PHX中细菌群落隶属于30门 62纲 102目 209科 455属 PYH中细菌群落隶 属于28门 62纲 105目 216科 518属 从门水 平看 PBQ和PHX样品中相对丰度 1 的有变形菌 门 放线菌门 拟杆菌门 厚壁菌门 酸杆菌门 Candidatus Saccharibacteria 浮霉菌门 绿弯菌门 芽 单胞菌门 疣微菌门以及未分类细菌 但Candidatus Saccharibacteria 芽单胞菌门 疣微菌门在PYH样本 中相对丰度 1 00 分别为0 51 0 51 0 79 图1 相对丰度 图 1 门水平上细菌群落组成比较 从纲水平上看 PBQ中相对丰度 1 的有16 个 分别为 变形菌纲 放线菌纲 变形菌 纲 鞘氨醇杆菌纲 噬纤维菌纲 变形菌纲 变形菌纲 Candidatus Saccharibacteria 浮霉菌 纲 芽单胞菌纲 杆菌纲 梭菌纲 酸杆菌纲 黄 杆菌纲 热微菌纲以及未分类细菌 PHX中相对丰 度 1 00 的有17个 除了与上述PBQ中相同的16个 外 还有厌氧绳菌纲 相对丰度为1 26 PYH中相 对丰度 1 00 的有13个 分别为放线菌纲 变 形菌纲 黄杆菌纲 变形菌纲 杆菌纲 噬纤维 菌纲 鞘氨醇杆菌纲 变形菌纲 热微菌纲 浮 霉菌纲 厌氧绳菌纲 变形菌纲以及未分类细菌 图2 从属水平上看 除未分类细菌外 PBQ中相对 丰度 1 的有12个 分别为 Saccharibacteria genera incertae sedis 产卟啉杆菌属 鞘氨醇单胞菌属 芽单胞菌属 Ohtaekwangia 类固醇杆菌属 Gp6 Povalibacter 德沃斯氏菌属 芽孢杆菌属 溶杆菌 属 类诺卡氏属 PHX中相对丰度 1 00 的有15 个 除芽孢杆菌属 0 50 外 包含PBQ样品中的 剩余11个细菌属 此外嗜甲基菌属 Luteimonas 黄 杆菌属和链霉菌属相对丰度也 1 00 PYH中相对 丰度 1 的有16个 除溶杆菌属 产卟啉杆菌属 类诺卡氏属 芽孢杆菌属 鞘氨醇单胞菌属5个细菌 属与PBQ和PHX相同 剩下的相对丰度 1 00 的细 菌属分别为盟微菌属 嗜盐单胞菌属 节杆菌属 动性球菌属 纤维弧菌属 短状杆菌属 棒状杆菌 属 考克氏菌属 Marmoricola Nitrolancea 根瘤 菌属 图3 相对丰度 图 3 属水平上细菌群落结构分布 3 结论与讨论 微生物是土壤生态系统中多样性最为丰富的群 体之一 其群落结构组成与功能在土壤生物化学循 环方面起到重要作用 土壤中病原微生物的增加会 对植物健康造成威胁 而微生物的多样性对植物病 原菌有潜在的抑制作用 土壤微生物群落对环境条 件的改变很敏感 土壤理化性质及结构变化都会影 响土壤微生物群落结构的变化 导致土壤肥力和作 物产率发生变化 进而影响植物的生长 3 因此 土 壤微生物是调控土壤质量的核心要素 要提升设施 蔬菜土壤质量 其核心就是要调控土壤微生物 4 本试验对不同种类设施蔬菜土壤细菌群落结构 和组成进行分析比较 发现土壤细菌多样性和OTU 值均为青椒 番茄 黄瓜 一般来说 高质量的土 壤其细菌多样性也较高 三样本中土壤有机质和全 氮含量均为青椒 番茄 黄瓜 说明土壤细菌多样 相对丰度 图 2 纲水平上细菌群落组成比较 资源 环境 15 性在一定程度上受到土壤有机质和全氮含量的影 响 且有机质和全氮含量越高 土壤细菌多样性越 高 这一结果与尚天翠等 5 的研究结果一致 土壤pH 是影响植物生长和氮素吸收的重要环境因子 它可 以通过影响微生物活动等改变土壤氮素的组成及含 量 进而影响植物根系氮素的吸收 6 土壤呈弱酸性 时 微生物群落结构也会受到影响 黄瓜土壤pH值 为6 0 其细菌群落结构与呈中性的青椒和番茄有明 显的不同 其中放线菌门 拟杆菌门和厚壁菌门相 对丰度明显增加 分别达30 47 17 15 和8 27 而变形菌门和酸杆菌门相对丰度为33 72 1 23 显著低于青椒和番茄 这与邓大豪等 7 的研究结果一 致 土壤酸化 盐渍化会导致土壤微生物群落结构 的改变 从群落结构上来看 青椒土壤细菌在门 纲 目 科 属水平上种类均高于番茄和黄瓜 但三样 本中均有较大比例的细菌不能准确分类 青椒和番 茄土壤pH 有机质和全氮含量相近 而两者的细菌 群落结构组成相似 说明理化性质在一定程度上影 响土壤微生物的结构组成 但对于土壤微生物的影 响不仅局限于土壤酸碱度 有机质和全氮含量 任 何单一的土壤理化性质均无法显著影响土壤微生物 的群落结构和物种组成 刘艳霞 8 等人的研究表明 土壤微生物结构是受多种因素综合影响和决定的 从物种组成上看 青椒 番茄 黄瓜三种土壤 中优势细菌门种类相同 但相对丰度不同 其中青 椒和番茄土壤优势细菌门相对丰度差别不大 但与 黄瓜土壤中优势细菌门相对丰度有较大差别 黄瓜 土壤中盟微菌属 嗜盐单胞菌属 节杆菌属 动性 球菌属 纤维弧菌属 短状杆菌属 棒状杆菌属 考克氏菌属 Marmoricola Nitrolancea 根瘤菌属相 对丰度均达到了1 00 以上 其中盟微菌属 嗜盐单 胞菌属和动性球菌属在含盐量较高的土壤中丰度较 大 说明黄瓜土壤含盐量较高 这与黄瓜施肥量有 关 此外 黄瓜土壤中有害真菌如镰刀菌和茎腐病 菌相对丰度显著增加 这也使得土壤中细菌群落组 成发生明显变化 导致黄瓜具有潜在的病害发生的 危险 综上所述 本试验通过高通量测序分析了不 同设施蔬菜土壤细菌多样性及群落结构 发现不同 种类设施蔬菜土壤微生物多样性不同 一方面 由 于土壤理化性质的差异导致了细菌群落组成存在差 异 另一方面 不同蔬菜根系分泌物对微生物的影 响也不尽相同 9 研究表明 土壤有机质和全氮含量 与细菌多样性成正比 而弱酸高盐环境使得土壤中 耐盐细菌和病原真菌数量增多 从而使土壤细菌群 落结构发生较大变化 土壤微生物具有复杂的交互 关系网络 且与土壤物理 化学等因素密切相关 因此调控土壤微生物群落结构需要综合考虑土壤的 理化性质 但其影响机制仍需进一步研究 参考文献 1 王海斌 叶江华 陈晓婷 等 连作茶树根际土壤酸度对土壤微生物的 影响 J 应用与环境生物学报 2016 22 3 480 485 2 李玉娣 谷 洁 付青霞 等 陕西云阳蔬菜大棚土壤养分及微生物群落 功能多样性研究 J 农业环境科学学报 2014 33 4 765 771 3 刘亚军 马 琨 李 越 等 马铃薯间作栽培对土壤微生物群落结构与 功能的影响 J 核农学报 2018 32 6 1186 1194 4 田 恬 田永强 高丽红 设施菜田土壤质量研究进展 J 中国蔬 菜 2 0 2 1 1 0 3 5 4 4 5 尚天翠 卫 刚 赵 玉 新疆野生樱桃李林不同生态条件下土壤细菌 数量变化及其影响因子研究 J 生物学杂志 2015 32 2 58 60 6 马庆旭 王 峻 曹小闯 等 土壤pH对玉米与微生物竞争吸收氨基酸 的影响 J 应用生态学报 2017 28 7 2277 2284 7 邓大豪 邓 涛 周 游 等 不同品种香蕉种植地土壤微生物多样性及 其对土壤理化性质的响应 J 热带作物学报 2019 40 9 1858 1864 8 刘艳霞 李 想 邹 焱 等 贵州省典型植烟生态区域根际土壤微生物 群落多样性 J 生态学报 2018 38 9 3145 3154 9 张 翔 宋水山 黄亚丽 等 基于高通量测序分析河北省中南部地区 土壤细菌多样性 J 华北农学报 2018 33 4 196 203 上接5页 的基础设施建设 并建立健全以绿色农业发展为导 向的农业补贴制度 促使财政支农支出能够显著提 升山东省农业绿色全要素生产率 参考文献 1 葛鹏飞 王颂吉 黄秀路 中国农业绿色全要素生产率测算 J 中国 人口 资源与环境 2018 3 62 69 2 杨 骞 王 珏 李 超 等 中国农业绿色全要素生产率的空间分异 及其驱动因素 J 数量经济技术经济研究 2019 36 10 21 37 3 刘亦文 欧阳莹 蔡宏宇 中国农业绿色全要素生产率测度及时空 演化特征研究 J 数量经济技术经济研究 2021 38 5 39 56 4 张颂心 王 辉 徐如浓 科技进步 绿色全要素生产率与农业碳排 放关系分析 基于泛长三角26个城市面板数据 J 科技管理研 究 2021 41 2 211 218 5 刘 敏 农机投入对农业绿色全要素生产率的影响及门槛效应研究 D 长春 吉林农业大学 2020 6 梁 俊 龙少波 农业绿色全要素生产率增长及其影响因素 J 华南 农业大学学报 社会科学版 2015 14 3 1 12 7 Malmquist S Index numbers and indifference surfaces J Trabajos De Estadistica 1953 4 2 209 242 8 Chung Y Fare R Productivity and Undesirable Outputs A Directional Distance Function Approach J Microeconomics 1997 51 3 229 240 9 Oh D H A global Malmquist Luenberger productivity index J Journal of Productivity Analysis 2010 34 3 183 197 10 李 波 张俊飚 李海鹏 中国农业碳排放时空特征及影响因素分解 J 中国 人口 资 源与 环 境 2 0 1 1 2 1 8 8 0 8 6 张 婷 等 设施蔬菜土壤细菌群落结构及多样性分析