土壤微生物多样性通过共现网络复杂性表征高寒草甸生态系统多功能性

土壤微生物多样性在生态系统功能的维持方面发挥着至关重要的作用,但是土壤生物多样性与生态系统功能(Biodiversity-ecosystem function, BEF)关系仍存在争议。以往的研究多基于简单多样性指标(如物种数、香浓多样性指数等)对BEF关系进行探究,忽略了物种间复杂的相互作用在BEF关系中的重要性。以青藏高原米拉山高寒草甸为研究对象,使用Illumina MiSeq高通量测序技术测定了6个海拔高度(3755 m、3994 m、4225 m、4534 m、4900 m、5120 m)土壤细菌和真菌群落特征,分析了简单微生物多样性指标(物种数)和共现网络复杂性与生态系统多功能性(Ecosystem multifunctionality, EMF)的关系,以期进一步揭示微生物多样性与EMF的关系。共现网络分析表明,表征土壤细菌和真菌网络复杂性的节点(Node)和边(Link)沿海拔高度的升高显著下降(P<0.05)。土壤细菌和真菌的多样性和网络复杂性均沿海拔的升高显著下降(P<0.05),而且网络复杂性比相应的多样性下降明显。在未控制环境因素时,真菌和细菌的多样性和网络复杂性均与EMF显著正相关(P<0.05);其中真菌和细菌网络复杂性对EMF的解释度高于相应多样性对EMF的解释度。通过偏回归分析(Partial least squares regression, PLSR)控制年降水、年均温、黏粒含量、盐基离子和酸性离子等气候及土壤环境因子影响后,土壤细菌和真菌物种多样性与EMF的显著正相关关系变为不相关(P>0.05),而网络复杂性与EMF的显著正相关关系(P<0.05)仍然存在。利用方差分解分析(Variance partition analysis, VPA)将环境因子纳入对EMF的影响后发现,土壤微生物网络复杂性和环境因子对EMF变化的解释度可达80%,高于土壤微生物多样性与环境因子对EMF变化的解释度。结构方程模型(Structural equation model, SEM)分析进一步显示,土壤细菌多样性和真菌多样性通过促进对应共现网络的复杂性,间接对EMF产生正向影响。综上所述,相较于简单的多样性指标,土壤微生物网络复杂性对EMF具有更好的解释度和预测性,微生物多样性主要通过促进网络复杂性间接正向影响EMF。研究结果扩展了BEF关系的研究,证明微生物物种多样性主要通过促进对应的网络复杂性维持EMF。

盐碱土壤冬枣根际微生物多样性分析

【目的】研究不同土壤盐分条件下冬枣根际土壤微生物多样性、群落结构及其潜在功能,为盐碱条件下多年生果树栽培提供指导,同时为果树与微生物及环境之间互作的研究提供数据支撑。【方法】选取陕西省大荔县土壤盐分条件不同的冬枣园,采集结果树根部周围土壤样品,测定其理化性质,并利用16S和ITS扩增子测序技术,对根际土壤样品中的细菌及真菌进行高通量测序。【结果】盐碱条件下,冬枣根际土壤中的优势细菌门分别为变形菌门Proteobacteria、酸杆菌门Acidobacteriota、放线菌门Actinobacteriota和厚壁菌门Firmicutes,其优势真菌门分别为子囊菌门Ascomycota、被孢霉门Mortierellomycota、担子菌门Basidiomycota和壶菌门Chytridiomycota。盐分的增加会导致微生物多样性和丰度均降低,使其群落组成更加相似;过高的盐分会降低细菌中类芽孢杆菌属Paenibacillus、链霉菌属Streptomyces等功能细菌的丰度,减少真菌中外生菌根和丛枝菌根,进而减弱微生物的代谢功能性。但是,高盐条件下子囊菌门和嗜盐单胞菌属Halomonas、Colidextribacter属、Pelagibius属等耐盐微生物均具较高的丰度。共现性网络分析结果表明,在应对盐分胁迫时,相比于细菌,真菌尤其是子囊菌门为维持微生物群落的稳定性而贡献得更多。【结论】土壤盐分是影响冬枣根际微生物群落组成及微生物之间共生关系的关键因素。冬枣根际的嗜盐单胞菌属等耐盐微生物或可成为盐碱条件下冬枣栽培及盐碱土壤改良的可利用资源。

西瓜枯萎病抗感品种根际微生物群落特征差异及其与病害发生的关系

【目的】通过研究不同基因型作物根际微生物群落特征及其与土传病害发生的关系,揭示根际微生物协助植物抵御土壤病原菌入侵的作用机制。【方法】以西瓜枯萎病感病品种“早佳8424”和抗病品种“西农8号”为研究对象,在连作障碍严重的土壤中进行盆栽试验,探讨了西瓜抗感病品种根际微生物多样性和群落组成差异及其与土传病害发生的关系。【结果】与感病品种相比,抗病品种发病程度和根际病原尖孢镰刀菌西瓜专化型(Fusarium oxysporum f.sp.niveum,FON)丰度显著下降。抗感病品种根际细菌和真菌α多样性无显著差异,但β多样性分异明显且其群落组成与FON丰度显著相关。差异分析进一步发现抗病品种根际富集了以放线菌门(Actinobacteria)和根瘤菌科(Rhizobiaceae)等为代表的潜在拮抗菌或有益菌。镰刀菌属(Fusarium)也在抗病品种根际显著富集,但主要以未分类的镰刀菌(unclassified Fusarium)和腐皮镰刀菌(Fusarium solani)为主。此外,抗病品种根际微生物共现网络具有较高的复杂性和稳定性,节点平均度比感病品种增加了18.18%,并且网络中节点和边以放线菌门为主。【结论】西瓜枯萎病抗病品种与感病品种具有显著不同的根际微生物群落组成,抗病品种根际富集的有益菌群和网络互作关系的强化有利于植物抵抗病原菌入侵。本研究通过解析不同基因型作物根际微生物与土传病害发生的关系,为精准调控作物根际微生物结构和功能防治土传病害提供了重要信息和理论依据。

韭菜不同生态位微生物群落组成及功能特征

为探究韭菜(Allium tuberosum Rottl.ex Spreng.)不同生态位微生物的分布情况,通过高通量测序技术,结合生信分析比较不同生态位的多样性差异,找出不同生态位的核心菌群;通过PICRUSt2对不同生态位微生物的功能进行预测。结果表明:韭菜根及根际土,即韭菜的地下部分,微生物群落的丰富度和多样性高于其他生态位,且主要的核心菌群为变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria);而地上部分如韭菜叶片中厚壁菌门(Firmicutes)和拟杆菌门(Bacteroidetes)相对丰度更高。通过对不同生态位韭菜细菌代谢功能进行预测,发现在韭菜地上部位内生菌主要的代谢功能是通过各种有机系统进行一系列代谢活动,而地下部分的微生物主要是参与遗传信息的处理和细胞的基础活动,变形菌门多与细胞的基础生命活动有关,而地上所发挥作用的厚壁菌门和拟杆菌门可能参与韭菜机体的一系列代谢活动。该研究结果为不同品种韭菜内生菌研究提供理论基础。

窖水中微生物降解污染物的关键细菌

为探究以氮、磷及有机物污染为主要特征的、窖水中参与污染物降解的关键细菌及它们之间潜在的相关关系,基于16S rRNA的微生物组学截面数据,分析了窖水中细菌群落结构与功能及其与水质因子间的相关性,并通过微生物物种的同现或相关种间作用推断模型,构建了7个微生物菌属间的共现性关联网络.结果表明,窖水中存在具有相对特定生态功能的细菌,进行着诸多活跃的与新陈代谢功能基因相关的代谢活动;窖水微生物类群共现性关联网络中大部分节点的菌属营互利共生类型的生态关系;Lacibacter、Arthrobacter、Candidatus Protochlamydia、Methylocaldum、Sulfuritalea、Mycobacterium、Aquirestis、Rhodobacter、Methylotenera等菌属拥有较高的点度中心度;较强的互作关系发生在Sulfuritalea-Rhodobacter、Azospirillum-Rhodobacter、Methylocaldum-Rhodobacter、Arthrobacter-Rhodobacter、Rhodoplanes-Rhodobacter、Candidatus Protochlamydia-Rhodobacter、Methylotenera-Rhodobacter、Rhodobacter-Aquirestis、Mycobacterium-Rhodobacter、PlanctomycesCandidatus Solibacter、Planctomyces-Legionella、Hymenobacter-Adhaeribacter、Luteolibacter-Crenothrix之间.综合分析节点微生物相关性、点度中心度及菌属间的互作强度,认为Rhodobacter、Methylocaldum、Methylotenera、Acinetobacter、Novosphingobium、Planctomyces、Hymenobacter、Luteolibacter为参与窖水污染物微生物降解的关键细菌,Rhodobacter为关键细菌的代表属.研究结果加深了对窖水中污染物微生物降解机制的认识.

生物炭与氮肥复施对镉污染水稻土修复效应及机制

重金属镉(Cd)污染已严重影响土壤健康,威胁农产品生产安全利用.因此采用盆栽试验,以Cd污染水稻土为供试土壤,研究生物炭(BC)、不同氮肥施用水平2.6 g·pot^(-1)(N1)、3.5 g·pot^(-1)(N2)、4.4 g·pot^(-1)(N3)和生物炭配施氮肥(BCN1、BCN2、BCN3)对土壤Cd形态、水稻体内Cd富集和转运以及土壤酶活性的影响,并通过高通量测序分析土壤微生物菌群变化和微生物间复杂的相互作用关系.结果表明,生物炭配施氮肥处理下土壤Cd由活性较高的可交换态向活性低的残渣态转化,可交换态Cd含量较对照降低了6.2%~14.7%,残渣态Cd含量提高了18.6%~26.4%.单一氮肥处理增强了水稻根部Cd的富集能力,提高了22%~33.5%,单一生物炭和配施氮肥处理下水稻根部Cd的富集能力、Cd从茎叶向稻壳和稻壳向稻米的转运系数均下降.BCN处理总体上促进了土壤酶活性(脲酶、酸性磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶),MiSeq测序显示生物炭配施氮肥提高了土壤细菌主要物种相对丰度(如Acidobacteriales、Solibacterales、Pedosphaerales和Nitrospirales),共现网络分析表明N、BC和BCN处理下土壤细菌网络复杂性均增强.总体来看,生物炭配施氮肥降低了土壤Cd活性,抑制了水稻对Cd的富集和转运,一定程度上改善了土壤生态环境质量,为重金属Cd污染农田土壤修复提供了技术支撑.

生态隔间影响韭菜内生细菌、根际和叶围细菌的定殖及互作

为阐明3种不同品种韭菜的内生细菌、叶围和根际5个生态隔间中细菌群落组成的变化及各生态隔间相关网络的结构差异,通过16SrRNA基因测序及分析,对不同功能的微生物群落多样性进行了讨论,分析了功能微生物在各个生态隔间中的丰度变化及地上隔间、地下隔间和各品种的微生物共现网络。结果表明:1)‘久星16号’韭菜品种叶围微生物中与病原菌防御相关的假单胞菌属(Pseudomonas)含量显著高于其他品种;2)生态隔间对于门和属水平微生物群落组成的相对丰度具有显著性影响,鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)在植物内部呈现由上至下逐渐递减的趋势;3)地下生态隔间的微生物共现网络较地上隔间复杂性和抗干扰性更强,韭菜各品种间存在网络直径相似但中心节点不同的微生物共现网络,‘久星16号’‘久星18号’因其应对温度变化特性,在变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)与绿弯菌门(Chloroflexi)间拥有更多负相关作用。综上,生态隔间对韭菜微生物的结构分布和互作网络的影响要高于韭菜品种,且不同韭菜品种会根据自身特性招募特异微生物。