不同海拔鬼箭锦鸡儿根际和非...性及PICRUSt功能预测_李媛媛.pdf

Eco-EnvironmentalKnowledge Web环 境 科 学Environmental Science第44卷第4期 2023年4月Vol44，No4 Apr，2023不同海拔鬼箭锦鸡儿根际和非根际土壤细菌群落多样性及 PICUSt 功能预测李媛媛1，2，3，徐婷婷4，艾喆3，魏庐潞1，马飞1，2*(1 宁夏大学生态环境学院，银川750021;2 宁夏大学西北土地退化与生态恢复国家重点实验室培育基地，银川750021;3 宁夏大学地理科学与规划学院，银川750021;4 宁夏大学生命科学学院，银川750021)摘要:鬼箭锦鸡儿作为我国北方高山和亚高山地区的主要建群植物，是区域生态系统的重要组成部分，但是很少有研究关注其对土壤生态系统的影响及其对环境变化的响应 因而，以鬼箭锦鸡儿为研究对象，采用高通量测序技术，分析了不同海拔鬼箭锦鸡儿根际和非根际土壤细菌群落多样性特征，并进行了功能预测分析 结果表明，所有样品共检测到 43 门、112 纲、251目、324 科和 542 属，变形菌门、酸杆菌门和放线菌门是根际和非根际土壤中的优势菌群 虽然不同海拔之间，鬼箭锦鸡儿根际和非根际土壤细菌多样性指数和群落结构不存在显著差异，但是在同一海拔水平上，根际和非根际土壤细菌多样性指数和群落结构组成存在显著差异 PICUSt 功能预测表明，细菌群落主要涉及氨基酸代谢、碳水化合物代谢、辅助因子和维生素代谢等 29 个子功能，表现出功能上的丰富性，且代谢为最主要的功能 土壤细菌二级代谢通路预测基因相对丰度的变化与变形菌门、酸杆菌门和绿弯菌门等菌群丰度显著相关，并且土壤细菌预测功能基因组成的差异与土壤细菌群落结构的差异呈显著正相关，说明细菌群落结构与功能基因可能存在密切联系 研究初步探讨了不同海拔梯度下鬼箭锦鸡儿根际和非根际土壤细菌群落特征及其功能预测分析，为高海拔地区建群植物的生态学效应及其对环境变化的响应提供了数据支撑关键词:鬼箭锦鸡儿;海拔;土壤细菌;群落结构;PICUSt 功能预测中图分类号:X172文献标识码:A文章编号:0250-3301(2023)04-2304-11DOI:1013227/j hjkx202204165收稿日期:2022-04-14;修订日期:2022-07-01基金项目:国家自然科学基金项目(31860142)作者简介:李媛媛(1996 )，女，硕士研究生，主要研究方向为土壤微生物与植被恢复，E-mail:1873952369 qq com*通信作者，E-mail:mafei05163 comDiversity and Predictive Functional of Caragana jubata Bacterial Community inhizosphere and Non-rhizosphere Soil at Different AltitudesLI Yuan-yuan1，2，3，XU Ting-ting4，AI Zhe3，WEI Lu-lu1，MA Fei1，2*(1 School of Ecology and Environment，Ningxia University，Yinchuan 750021，China;2 Breeding Base for State Key Laboratory of Land Degradation and Ecologicalestoration in Northwest China，Ningxia University，Yinchuan 750021，China;3 School of Geography and Planning，Ningxia University，Yinchuan 750021，China;4 Schoolof Life Science，Ningxia University，Yinchuan 750021，China)Abstract:Caragana jubata，as the main dominant plant in the alpine and subalpine regions of northern China，is an important component of the local ecosystem However，few studies have paid attention to its impact on the soil ecosystem and its response to environmental changes Thus，in this study，we used high-throughput sequencingtechnology to investigate diversity and predictive function of rhizosphere and bulk soil bacteria communities of C jubata from different altitudes The results indicated that 43phyla，112 classes，251 orders，324 families，and 542 genera were obtained from the soil The dominant phyla in all sample sites were Proteobacteria，Acidobacteria，andActinobacteria There were significant differences in bacterial diversity index and community structure between the rhizosphere and bulk soil at the same altitude，whereas thedifferences across altitudes were insignificant PICUSt analysis showed that the functional gene families were mainly related to 29 sub-functions，including amino acidmetabolism，carbohydrate metabolism，and metabolism of cofactors and vitamins，and the abundance of metabolism was highest There were significant correlations between therelative abundances of genes involved in the level metabolic pathway of bacteria and phylum-level taxa，such as Proteobacteria，Acidobacteria，and Chloroflexi Thepredicted functional compositions of soil bacteria also showed a significantly positive correlation with the dissimilarity in bacterial community structure，indicating that there wasa strong relationship between bacterial community structure and functional genes This study preliminarily discussed the characteristics and functional prediction analysis ofbacterial communities in the rhizosphere and bulk soil of C jubata at different altitudinal gradients，which provided data support for the ecological effects of constructive plantsand their responses to environmental changes in high altitude areasKey words:Caragana jubata;altitude;soil bacteria;community structure;function prediction with PICUSt土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，通过参与物质循环及碳素转换，影响土壤结构和质量的变化 有研究表明，土壤微生物群落多样性可以用来表征土壤生态系统功能稳定性及其环境影响1，2 根际是受植物根系活动影响的微域环境，在这一区域内植物、土壤和微生物间互作关系十分复杂3 根际土壤微生物介导着根系与土壤间养分的转换和运输，在促进植物生长和调节资源分配方面发挥着重要作用3 近年来，随着高通量测序技术(high-throughput sequencing)的发展，研究土壤微生物群落结构组成及其分布规律已经引起学者们的极大关注4，而且 PICUSt(phylogenetic investigation ofcommunities by reconstruction of unobserved ststes)能够通过比对微生物 16S rNA 的信息与代谢功能的4 期李媛媛等:不同海拔鬼箭锦鸡儿根际和非根际土壤细菌群落多样性及 PICUSt 功能预测参考基因组数据库，实现对微生物菌群代谢功能的预测5，为进一步深刻认识和理解土壤微生物群落结构组成及功能特征提供了新途径土壤微生物对环境变化极为敏感，环境因子的微小改变会引起微生物群落多样性的显著变化6 有研究表明，降水量、海拔、土壤 pH、有机质和植物功能性状均能引起土壤细菌群落多样性改变7 11 其中，海拔梯度的变化会引起较短地理距离内降水和温度的改变，对植被类型及土壤属性产生影响10，进而影响土壤微生物多样性和群落结构组成 然而，现有研究中土壤细菌群落多样性与海拔的关系并无统一定论，如 Shen 等9研究乞力马扎罗山时发现，随海拔的升高土壤细菌多样性呈下凹型;en 等11对太白山不同海拔梯度的研究中，发现土壤细菌多样性与海拔呈现驼峰型;安前东等12研究指出，在西藏色季拉山植被带，土壤细菌多样性随海拔升高而显著降低，且土壤细菌优势菌与海拔呈显著相关性 而且，目前的研究多关注于不同类型生态系统下土壤微生物的响应及影响因素，对于植物根际微生物，特别是对于具有固氮能力的豆科植物，其根际微生物如何响应海拔梯度的变化却鲜见研究鬼箭锦鸡儿(Caragana jubata)隶属豆科锦鸡儿属，是我国北方高山和亚高山地区的主要建群植物，在维持区域生态系统结构和功能稳定方面发挥着重要作用13 然而，在气候变化背景下，温度升高、降水格局变化将对陆地生态系统，尤其是对高山生态系统产生重要的影响14，研究高山建群植物如何影响生态系统结构及其对环境变化的响应，将有助于深刻理解未来气候变化的生态效应及应对策略的制定 目前，关于鬼箭锦鸡儿的研究多集中在叶片形态结构、抗旱性及药用价值方面15 17，虽然 Na 等18 对不同生境下鬼箭锦鸡儿根际土壤细菌多样性及群落结构进行了报道，但是，其研究并没有明确植物根际和非根际土壤微生物群落多样性之间的差异及其如何响应海拔梯度的变化，而且对于细菌代谢功能的预测也缺乏相应分析 鉴于此，本文以高山建群灌木种鬼箭锦鸡儿为研究对象，通过分析不同海拔梯度下鬼箭锦鸡儿根际和非根际土壤细菌多样性及群落结构差异，探讨建群种鬼箭锦鸡儿如何影响土壤细菌多样性和群落结构，并利用 PICUSt 方法对土壤细菌