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文献解读

集思慧远客户发表《固氮微生物的组成与重新造林过程中的土壤氮含量的关系:豆科植物林与非豆科植物林的比较》

发布日期:2019-04-04 浏览次数:473

固氮微生物的组成与重新造林过程中的土壤氮含量的关系:豆科植物林与非豆科植物林的比较

发表杂志:Frontiers in Microbiology 影响因子:IF=4.019 单位:中国林科院热带林业研究所

摘要:

为了改善退化森林的土壤肥力,已经开展了许多的重新造林项目,这一行为经常会导致土壤微生物群落的改变。然而,目前尚不清楚微生物功能群落是否受到影响,这些类群与再造林期间养分含量增加的关系如何。通过对包括亚热带豆科植物林与非豆类植物林的五种植树造林土壤中nifH标记基因的定量测定和序列分析,研究了固氮微生物的数量和组成。通过多种方法研究了固氮生物群落属性与土壤氮(N)含量[NO3-、NH4、微生物量N]之间的关系。在本地优势种林(NP)和马占相思林(AM)中,固氮菌的丰富度最高,本地马尾松林(PM)中固氮菌的丰度最低。另外,发现固氮菌的丰富度与土壤有机质、含水量呈正相关,与pH呈负相关。五种再造林方法的固氮生物群落组成差异显著,与土壤pH、NH4和水分变化密切相关。固氮生物群落的组成与土壤NH4+含量密切相关,而丰度与其含量无关。相较于其他四个树林,马占相思林(AM)中含有较高的NH4+、NO3-和微生物量N(MBN),这可能与其中固氮菌的某些指示物种有关(放线菌、蛋白菌、硬壁菌)。然而相比于马占相思林(AM),在非本地混合豆科植物林(ML)中,蛋白菌指示种要更高,这可能是导致其N含量显著降低的原因之一。整体而言,比起固氮菌的丰度,再造林下,土壤的N含量似乎与固氮生物群落的组成更加相关。

目标:

(1)阐明五种造林方式下固氮生物群落的丰度和组成及其与土壤氮含量的关系;

(2)分析与再造林下固氮生物群落的丰度和组成有关的主要土壤性质。材料与方法树木之间进行土壤取样,以避免收集根际土壤。

材料方法:

在不同林子中随机选择两个取样点,并在每个地点从顶层(0-10厘米)收集三个子样本后,完全混合成一个样本,一个林子取6个重复。

将样品分为开,一部分存放于4◦C,用于土壤理化分析,另一部分存放于-20◦C,用于微生物分析。

生理生化检测指标:

土壤中的土壤pH;土壤含水量(SWC);土壤有机质;NH4+;NO3-浓度;土壤溶解有机C(DOC)土壤微生物量C(MBC)和微生物N(MBN)。

nifH基因引物信息:

AAAGGYGGWATCGGYAARTCCACCAC;

TTGTTSGCSGCRTACATSGCCATCAT

NifH基因测序与生物信息学分析:

FLASH:合并双端reads;QIIME:去除低质量的序列;Usearch:过滤嵌合序列。

最大似然法:构造系统发生进化树。

结果展示

1.土壤理化性质:

在五种造林方法中,除土壤pH值、NO3-、MBN含量和MBC含量外,土壤性质差异显著。


图1.中国亚热带五种造林方法土壤理化性质。(A)土壤含水量,(B)土壤pH,(C)土壤NH4+含量,(D)土壤NO3-含量,(E)土壤溶解有机碳(DOC),(F)土壤有机质(SOM),(G)土壤微生物量碳(MBC),(H)土壤微生物生物量氮(MBN)。每个图表中的上p值代表了五种方法之间的总体差异;不同的小写字母表示多重比较的显着差异。

2.固氮生物群落的丰度和组成

通过微生物qpcr绝对定量发现,nifH基因在NP中最丰富,其次是AM、NR和ML(图2A);而Shannon-Wiener指数最大的是PM(p>0.05,图2B);NP和AM组土壤DNA总含量显著高于PM组(图2C)。

图2 (A)nifH基因拷贝数,(B)nifH的Shannon-Wiener指数,(C)五种造林方法下土壤总DNA含量。


3.固氮生物群落丰度和组成与土壤性质的关系。

运用了斯皮尔相关性、SEM、CCA等来研究了固氮生物群落与土壤理化性质的关系。总体而言,nifH丰度和土壤总DNA含量与SWC和SOM呈正相关,与土壤pH呈负相关(p<0.05)(表1)。

SOM:土壤有机质;DOC:溶解有机碳;MBC:微生物生物量碳;MBN:微生物量氮。∗∗p≤0.01;∗p≤0.05。


固氮生物群落的组成在五种造林方法之间有很大的差异,如OTU的丰度、存在、缺失,从两种统计方法上都可以看出。


图3.(A)基于Bray-Curtis相似性的固氮生物群落的非度量多维尺度(NMDS)分析;(B)结构方程模型(SEM)分析。


CCA图的结果表明,土壤pH、SWC和NH4+含量的差异主要与指示种间的差异有关(图4)。


图4.五种再造林方法中指示性NifH物种组成的典型对应分析(CCA)。箭头表示的是具有统计学意义的环境变量。

4.OPU的聚类分析

将nifH核酸序列翻译成氨基酸序列,然后在功能基因数据库(Fungene)进行序列比对,进行OPU的聚类分析,根据90%的同源性对翻译的氨基酸序列进行了鉴定,共鉴定出150个OPUS。利用27个包含5条以上序列的OPU来构建系统发育树(图5)。

图5.五种再造林方法下,nifH基因翻译氨基酸序列的最大似然系统发育树。只显示含有五个以上序列的(OPU)。自展值展示在每个树枝上,用来检验计算的进化树分支可信度。



结论:

在亚热带中国实施的不同再造林方法中,固氮生物群落的丰度和组成各不相同。固氮生物群落的改变与土壤pH、SWC、NH4+、和SOM密切相关。然而,土壤NH4+与固氮生物群落的组成显着相关,而非丰度,表明固氮生物的组成可能对土壤氮的有效性具有更大的影响。

该研究表明,在重新造林的早期阶段确定固氮生物群落组成可以帮助我们选择有效的先锋物种来促进土壤氮供应,并了解微生物群落中涉及的机制。


原文链接:https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6427063/