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文献解读

集思慧远客户发表《针叶林和阔叶林土壤反硝化细菌群落结构和物种共现网络的差异》

发布日期:2019-09-26 浏览次数:373


IF=4.167


文章摘要


       菲律宾相思木(AM)和马尾松(PM)广泛种植于热带区域,但它们对土壤微生物群落的影响并不清楚。本研究利用高通量测序(功能基因nirK、nirS、nosZ)对单一种植AM和PM的林场土壤中反硝化细菌群落结构进行了评估。nosZ(1.3x107)平均丰度显著高于nirS(5.6x106)和nirK(4.9x105)。香农指数结果显示nirS和nirK的多样性在PM林场土壤中高于AM。两种林场土壤利用nirS和nosZ优势微生物属于变形菌门、放线菌门、嗜热油菌纲、绿弯菌纲、酸杆菌门,而nirK优势菌都是变形菌门。AM和PM林场土壤微生物群落结构随着土壤含水量、NH4+、微生物生物量氮含量变化而改变。nirK微生物群落物种共现网络更有组织且更加模块化,网络的关键物种大多来自PM林场。这些结果表明尤其在PM林场中,nirK微生物群落高度响应环境的变化。AM和PM林场可以通过改变土壤理化性质形成不同的土壤反硝化微生物群落,进而影响土壤氮转换。


材料与方法


       广东鹤山国家森林生态系统野外研究站,5个AM林场,5个PM林场(均为单一树种种植,面积为1公顷,两个林场间距离不小于100m)。每个林场在树木间的开阔地带随机选择15个采样点取表层土(0-10cm)(避免根际土壤采集),取样后混样作为该林场的复合样品。AM和PM各5个样品。去除土壤中根、垃圾和石头后用2mm滤网过筛,保留下的土壤进行后续试验。

       土壤DNA提取:HiPure Soil DNA Mini Kit,0.3g土壤。DNA定量:NanoDrop 2000。

       nirK、nirS、nosZ基因丰度:ABI 7500 thermocycler。

       高通量测序平台:Illumina HiSeq。

       Raw reads双端拼接:Fast Length Adjustment of Short Reads (FLASH)

       低质量reads判断:QIIME。嵌合体识别:Usearch。

       高质量序列筛选:FrameBot(http://fungene.cme.msu.edu/FunGenePipeline)。

       nirK、nirS、nosZ序列比对nt库,序列相似度达97%进行聚类获得OTU(CD-HIT-EST)。

       网络分析:molecular ecological network analyses pipeline (http://ieg2.ou.edu/MENA/main.cgi)。网络分析可视化:Cytoscape。


研究结果


1. 土壤理化特性检测



       AM土壤与PM土壤理化指标相比,只有溶解有机碳和pH没有显著差异,其余指标均是AM显著高于PM。


2. 反硝化细菌群落、多样性和丰度



       nirK和nosZ的丰度在AM中要显著高于PM。nosZ的群落α-diversity要高于nirK和nirS。nirS和nosZ群落的α-diversity在PM中要显著高于AM,而nirK在两者之间没有显著差别。



       3个基因对应反硝化细菌的OTU注释和相对丰度统计。nirK、nirS、nosZ鉴定到的OTU分别有(900、200、1142个),其中nirK群落在两种林场间共有OTU最多。nirK群落鉴定到的反硝化细菌主要有4个门,其中α-变形杆菌纲丰度最高。nirS鉴定到6个门,AM中优势菌群是γ-变形杆菌纲、α-变形杆菌纲和Negativicutes,PM中优势菌群是放线菌门、γ-变形杆菌纲、α-变形杆菌纲、嗜热油菌纲。nosZ在AM中鉴定到的优势菌门是α-变形杆菌纲、放线菌门和酸杆菌门,在PM中的优势菌为β-变形杆菌纲、α-变形杆菌纲、绿弯菌纲。


3. 反硝化细菌群落与土壤理化特性间的关系



       斯皮尔曼相关性分析结果表明不同生理指标和不同基因及α-diversity指数间存在不同的相关性。



       RDA分析结果表明nirK群落结构不能用两种林场土壤理化指标来区分。CCA结果表明前两个CCA组分分别能解释64%和47%的nirS,nosZ群落结构。其中nirS相关性最高的是SWC,nosZ相关性最高的是pH。


4. 反硝化细菌群落网络和关键物种


注:不同颜色代表7种细菌门,节点大小表示对应OTU丰度,两节点间相关性黑色(正相关)、红色(负相关)。


       网络节点数量分别是nirK(164),nirS(70),nosZ(95);但网络节点连接数最多的是nosZ(2079),nirK(634),nirS(169)。nirK的路径平均长度为3.67,nirS(3.0),nosZ(1.54),nirK网络模块多达15个,模块性最好。而nosZ只有2个模块。




       Zi表示模块内物种间相关性,Pi表示模块间物种相关性。nirK和nirS中关键物种节点分别有4个和2个。nirK中4个物种在AM和PM的OTU占比大小不一,而nirS的2个关键物种在AM和PM中各占50%。


文章小结


       这些结果表明,nirS和nosZ群落的多样性和结构对PM和AM单一种植引起的土壤环境变化敏感。因此,对nirS和nosZ反硝化基因从森林转变为人工林对土壤氮循环的影响值得进一步研究。

       此外,AM中反硝化基因的丰度和土壤氮素利用率越高,会增加氮素的损失,使氮素循环更快。我们认为,在森林恢复初期种植马尾松在土壤积累方面优于种植菲律宾相思木。