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文献解读

集思慧远客户发表《不同耕作方式下春小麦-豌豆轮作区细菌和真菌多样性评价》

发布日期:2019-03-17 浏览次数:393

南京集思慧远客户发表

不同耕作方式下小麦豌豆轮作区细菌和真菌多样性评价


  土壤管理实践有可能改变农业领域微生物的多样性和功能。本研究旨在通过15年小麦-豌豆轮作试验,研究小麦-豌豆轮作试验中细菌和真菌的多样性。处理措施包括: 常规耕作,去掉残茬(T)、去掉碎秸的免耕(NT)、免耕与碎秸保留(NTS)和传统的带有残茬的耕作方式(TS)。采用高通量测序平台,对0-10 cm和10-30 cm土壤中细菌16S rRNA(V3 V4)和真菌ITS(ITS2)区基因进行了序列分析。在两个处理深度为97%的相似性发现的优势细菌和真菌门分别是蛋白细菌(Proteobacteria 26.3%),放线菌门(Actinobacteria 25.1%), 酸杆菌门(Acidobacteria 15.0%) ,芽孢杆菌门(Gemmatimonadetes 8.8%),子囊菌门(Ascomycota 85.8%) 和担子菌门(Basidiomycota 8.0%)。耕作和留茬效应与一些门有显著的相关性。免耕和留茬措施通过改善土壤化学性质影响真菌和细菌物种的多样性,而这些化学性质有可能影响土壤的生境和活性。因此,免耕和留茬可以改善黄土高原土壤质量,促进农业可持续发展。


材料与方法

  材料:两次轮作和四次耕作处理:T、NT、NTS、TS。轮作顺序:W→P→W或P→W→P。在2016年进行W→P→W实验之前,采集土壤样品。取样期内在0~10cm和10~30cm的深度范围内随机抽取3个土心样品,将每个地块的三个土心汇集在一起,形成一个复合样品,立即储存在干冰上,一部分存入-80oC用于分子实验,一部分存入4oC进行微生物碳/氮分析,其余样品风干进行其他化学分析。

  方法:PH计测定PH;Walkley-Black湿法氧化法测定总有机碳(TOC);氯仿熏蒸提取法(FE)测定土壤微生物生物量的碳和氮;采用Olsen P方法测定有效磷;利用UV-1800分光光度计对土壤硝酸盐-N(NO3-N)和氨氮(NH4-N)含量进行测定;使用MoBio PowerSoil DNA分离试剂盒提取DNA;测序平台:Illumina HiSeq;组装:PANDAseq;比对已知16S rRNA:UCLUST和SORTMERNA;用于比对细菌16S rRNA和真菌ITS 2序列:SILVA rRNA和UNITE;多样性分析:QIIME软件;样品相似性:PAST;Venn图和LEfSe:R软件;线性模型比较:SPSS软件。


结果分析

  1.土壤细菌和真菌的群落组成

细菌和真菌的优势门

a.在细菌16S rRNA中发现的优势门;b.在真菌ITS中发现的优势门



处理中具有明显不同百分比丰度的门


  研究发现,优势门在各处理的百分比丰度上没有显著性差异。但是较小的门如芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、硝化螺菌属(Nitrospirae)等在0-10cm土层的NTS

和 NT处理下有显著的均值;在NTS的10-30cm土层中,芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)和JL-ETNP-Z39显著更高。


  2.LEfse分析

细菌16S rRNA的LDA评分直方图



真菌ITS的LDA评分直方图

A2-A3 不同耕作处理下与土壤相关的细菌和真菌群落中LDA≥3显著丰富或丰富的低分类群真菌直方图


3.耕作方式对土壤微生物多样性的影响

  TS在0-10cm土层中,细菌和真菌最为丰富,分别为TS>NT>T>NTS和TS>NTS,蛋白菌门和子囊菌门(门到属)分别是最富集的细菌和真菌。


Fig.A4 细菌16S rRNA和真菌ITS的NMDS聚类分析

 细菌:a-0-10cm;b-10-30cm;真菌:c-0-10 cm;d-10-30cm。在0-10cm样本处理中,细菌的T和真菌的NTS有明显聚类,其它处理没有。



Table 2 细菌多样性指数

Table.2-3 0~10 cm和10~30 cm深度土壤细菌和真菌群落多样性指数


Table 3 真菌多样性指数


在0-10cm处理下,NTS的细菌量最高,平均细菌数为NTS>NT>TS>T;在真菌ITS区,也有类似趋势。但在10-30cm处理下,差异不显著。


Table 5耕作(T)、留茬(S)和互作(T*S)对细菌和真菌基因多样性指数的影响


耕作效应(T)对细菌16SrRNAα-多样性指数有显著影响,但仅对真菌ITS区域的OTU数量有显著影响。留茬(S)对细菌16S


rRNA的OTU数量和观测物种数显著影响,对真菌ITS区域基因影响不显著。T、S互作效应显著影响16S rRNA的OTU数量和Chao


1指数,对真菌ITS区域,OTU数量和观测物种数,还有Chao 1指数均显著影响。


0-10cm土壤pH值受留茬影响显著(F=6.42;p=0.044)与耕作留茬交互效应(F=82.69;p<0.001),但在10- 30cm深度下,pH受耕作效应影响显著(F=94.25;p < 0.001)。

Fig.2 细菌16S rRNA(a、b)和真菌ITS区域(c、d)的OUT Venn分析


在细菌16S

rRNA中,在0~10 cm和10~30

cm土壤样品中的唯一OTUS分布顺序分别为NTS>NT>T>TS和NTS>TS>NT>T;在真菌ITS区域中,0~10

cm深度处理的唯一OTUS数顺序为NT>T>NTS>TS,10~30 cm深度为NT>T>NTS=TS。



4.耕作方式对土壤化学性质的影响

Table 4 0-10 cm和10-30 cm深度土壤化学性质的研究


在0-10cm处理下,留茬对TOC、NH4-N、NO3-N、SMBC、SMBN显著影响,耕作对NO3-N、SMBC、SMBN显著影响。在10~30cm土壤中,NO3-N、SMBC和SMBN受留茬效应影响显著。

用Pearson相关分析细菌和真菌门、耕作效应(T)、留茬效应(S)和土壤化学性质,以确定它们之间的相关性。




5.微生物类群、耕作效果与化学性质的相关性分析

微生物类群、耕作效果与化学性质的相关性分析

Table A2-4

A2-细菌类群、耕作效应(T)、留茬效应(S)与土壤化学性质的Pearson’s相关性----0~10cm


A3-细菌类群、耕作效应(T)、留茬效应(S)与土壤化学性质的Pearson’s相关性----10~30cm


耕作效应(T)与Gemmatimonadetes、Nitrospirae呈显著正相关,与Chloroflexi呈显著负相关。留茬效应(S)与Actinobacteria、Gemmatimonadetes、Firmicutes呈显著正相关,与Proteobacteria、Candidate

division TM7呈显著负相关。除上述微生物外,黑松菌类、叶绿素、拟杆菌门等都与土壤化学性质呈现不同的显著相关性。A4-门级真菌类群(0~10 cm和10~30 cm)、耕作效应(T)、留茬效应(S)与土壤化学性质(0~10 cm和10~30 cm)之间的相关关系。



结论

本研究得出结论,在NTS的0-10cm土壤样品中,细菌16S

rRNA和真菌ITS区基因多样性指数和化学性质显着提高。然而,对处理效果的多因素分析对微生物群落的影响一般不显著。保护性耕作免耕和留茬作业对部分微生物门和化学性质有显著的影响和相关性。改善土壤化学环境,提高土壤微生物活性。研究结果为旱作黄土高原采用免耕和免耕留茬技术改善土壤质量、促进农业可持续发展提供了实际意义。


研究亮点

1.在本研究中,我们在长期耕作试验中对细菌和真菌多样性进行研究,发现四种处理下的细菌和真菌群落中的优势微生物基本一致。通过对16S

rRNA基因和真菌ITS区域基因的比较研究,发现了优势菌门,表明所有处理均存在常见且普遍的优势土壤细菌和真菌类群。在0-10cm采样深度下,rRNA和真菌的物种多样性和丰度及其区域基因普遍存在显著差异,在NTS中尤其显著。

2.本研究对发现的细菌、真菌群落和土壤化学性质进行相关性分析,发现细菌和真菌群落与土壤化学性质呈现显著相关性。




原文链接:https://doi.org/10.1139/CJSS-2017-0155