谷田土壤中细菌群落对铬胁迫的响应特征_景秀清.pdf

农业环境科学学报Journal of AgroEnvironment Science2023，42（6）:1294-13042023年6月景秀清，赵鹏宇，白雪，等.谷田土壤中细菌群落对铬胁迫的响应特征J.农业环境科学学报,2023,42（6）：1294-1304.JING X Q,ZHAO P Y,BAI X,et al.Response characteristics of bacterial communities to chromium stress in the soil of millet fields J.Journal of Agro-Environment Science,2023,42（6）：1294-1304.谷田土壤中细菌群落对铬胁迫的响应特征景秀清1，2，赵鹏宇1*，白雪1，邓宁1，赵晓东1，吴丽华1，仪慧兰2（1.太原师范学院生物科学与技术学院，山西 晋中 030619；2.山西大学生命科学学院，太原 030006）Response characteristics of bacterial communities to chromium stress in the soil of millet fieldsJING Xiuqing1,2,ZHAO Pengyu1*,BAI Xue1,DENG Ning1,ZHAO Xiaodong1,WU Lihua1,YI Huilan2（1.College of Biological Sciences and Technology,Taiyuan Normal University,Jinzhong 030619,China;2.College of Life Science,ShanxiUniversity,Taiyuan 030006,China）Abstract：To investigate the response mechanism of bacterial communities in farmland soil to chromium（Cr）stress,soil planted with“Jingu 21”millet（Setaria italica）was used as the experimental material in this study.Samples were acquired before Cr stress（CK group）and after 6 h（Cr_6h）and 6 d（Cr_6d）of 1 mmolL1Cr6+stress.The composition,diversity,assembly process,and KEGG metabolicpathway activity of bacterial community in the soil under Cr stress were analyzed using Illumina MiSeq high-throughput sequencing.Theresults revealed that there were significant differences in the proportion of dominant bacteria at phylum and genus levels in the bacterialcommunities under different durations of Cr stress.The diversity varied in stages,for example the Shannon index decreased at Cr_6h andincreased at Cr_6d（6.07 at CK,5.92 at Cr_6h,and 6.04 at Cr_6d）,whereas the Simpson index exhibited the opposite trend（0.006 8 at CK,0.007 8 at Cr_6h,and 0.006 8 at Cr_6d）.After Cr stress,the beta NTI index continued to decrease（2.68 at CK,2.11 at Cr_6h,and 1.91at Cr_6d）.The bacterial community assembly processes in CK and Cr_6h stage were dominated by deterministic assembly process（|beta NTI2）,whereas in Cr_6d stage,they were mainly dominated by stochastic assembly process（|beta NTI2），而在Cr_6d阶段主要由随机过程驱动（|beta NTI2，说明确定过程驱动微生物群落结构的变化27-28。2结果与分析2.1 Cr胁迫对细菌群落结构和多样性的影响2.1.1 对细菌群落结构的影响通过对CK、Cr_6h和Cr_6d这3组共18个样品进行高通量测序，共获得791 427条有效序列，有效序列碱基数目共计329 176 199 bp，平均序列长度415 bp。对各组样品的OTUs以及组间样品的重叠OTUs进行Venn图可视化分析（图 1），发现这 3组样本的 OTUs总数分别为3 133、2 971个和3 140个，特有的OTUs的数目分别是 CK 组 138 个（3.93%）、Cr_6h 组 58 个（1.65%）和 Cr_6d组 114个（3.25%），3组样本共有的OTUs的数目为2 536个（占所有OTUs的72.27%）。各组样品中的细菌群落共包含 38 个门、117 个纲、278个目、468个科、843个属和1 487个种。在门水平，Cr胁迫前后土壤中的细菌群落组成基本相似，共比对出11个相对丰度大于1%的细菌门（图2A）。其中放线菌门（Actinobacteriota）平均相对丰度最高，达到31.11%；其次是厚壁菌门（Firmicutes，19.00%）、变形菌门（Proteobacteria，18.82%）和绿弯菌门（Chloroflexi，11.87%），相对丰度介于10%20%之间；拟杆菌门（Bacteroidota，4.57%）、芽单胞菌门（Gemmatimonadota，3.02%）、酸杆菌门（Acidobacteriota，2.44%）和异常球菌门（Deinococcota，2.22%）的相对丰度介于2%10%之间。与CK组相比，随着Cr胁迫时间的延长，优势菌门中拟杆菌门相对丰度持续上升；放线菌门和绿弯菌门在Cr_6h时的相对丰度有所上升，持续胁迫至 Cr_6d，相对丰度未进一步发生显著变化；芽单胞菌门和酸杆菌门的丰度先下降后上升，厚壁菌门相对丰度则持续下降。在属水平，共比对出7个相对丰度大于2%的细菌属（图2B）。其中直丝菌属（Planifilum）平均相对丰度最高，达到6.34%；长孢菌属（Longispora，4.59%）和norank_f_AKYG1722（4.16%）的平均相对丰度大于4%；马杜拉放线菌属（Actinomadura，2.66%）、嗜盐多孔 菌 属（Haloactinopolyspora，2.51%）、特 吕 珀 菌 属不同颜色代表不同处理，重叠部分数字为不同处理共有物种数，非重叠部分数字为对应处理的特有物种数。Different colors represent different treatments，the number in theoverlapping part represents the number of species in multiple treatments，and the number in the non-overlapping part represents the number ofspecies unique to the corresponding treatment.图1 细菌群落OTUs数量Venn图Figure 1 OTUs Venn diagram of bacterial communities1296景秀清，等：谷田土壤中细菌群落对铬胁迫的响应特征2023年6月（Truepera，2.22%）和糖单胞菌属（Saccharomonospora，2.04%）的平均相对丰度介于 2%3%之间。直丝菌属的相对丰度随着Cr胁迫时间的延长而下降；长孢菌属和norank_f_AKYG1722的相对丰度先剧烈上升，而后趋于稳定；马杜拉放线菌属和嗜盐多孔菌属的相对丰度先剧烈上升，而后略有下降。长孢菌属和norank_f_AKYG1722 在 Cr 胁迫前后的相对丰度发生明显变化。上述结果表明Cr胁迫致使细菌群落组成变化显著。2.1.2 对细菌群落多样性的影响通过单因素方差分析探究细菌群落 多样性（Sobs指数、Shannon指数、Simpson指数、ACE指数和Chao指数）在Cr胁迫不同时间节点的变化（图3）。Cr胁迫后，细菌群落的Sobs指数和ACE指数无显著变化（P0.05）；Shannon 指数在 Cr_6h 较 CK 显著下降，在Cr_6d又有所上升（CK为6.07、Cr_6h为5.92、Cr_6d为 6.04）；Simpson 指数在 Cr_6h 上升，在 Cr_6d 下降（CK为0.006 8、Cr_6h为0.007 8、Cr_6d为0.006 8）；而不同字母表示不同处理之间的差异显著（P0.05）。下同。Different letters indicate significant differences among treatments（P2），而在Cr_6d阶段由随机过程驱动（|betaNTI2）。即随着Cr胁迫时间的延长，细菌群落构建由确定过程驱动逐渐转变为由随机过程驱动，群落构建机制呈现阶段性变化特征。基于 OTU 矩阵绘制中性群落模型（图 6），估算OTU发生频率与其相对丰度变化间的关系。CK、Cr_6h和Cr_6d组的模型分别解释了群落方差的63.7%、62.3%和65.3%，总体解释度为76.9%。细菌群落Nm值元群落规模（N）与迁移率（m）的乘积在Cr_6d（Nm为33 365）阶段最小，表明细菌群落在该阶段受到的扩散限制作用较大，相对而言在CK（Nm为36 720）、Cr_6h（Nm为37 370）阶段受到的扩散限制作用较小，分布较广泛。2.2.2 细菌群落种间关系网络分析通过细菌群落共发生网络分析，利用Spearsman相关性分析评估不同变量间的相关性，构建种间关系网络图，探究Cr胁迫对土壤细菌群落种间关系的影响。表1显示，Cr胁迫后细菌群落共生网络的边数量和平均度持续下降，表明随着Cr胁迫时间的延长，细菌的网络规模变小，种间相互作用关系趋于简单；与此同时，Cr胁迫使细菌群落共生网络的平均路径长度上升，表明随着Cr胁迫时间的延长，土壤细菌菌群间响应速度变慢，不易受外界环境的干扰。根据种间关系网络图（图7）分析可知，Cr胁迫不同时间节点的关键物种不同：CK阶段的关键物种为直丝菌属、芽孢杆菌属（Bacillus）、链霉菌属（Streptomyces）等，Cr_6h 阶段为特吕珀菌属、马杜拉放线菌属、节杆菌属（Arthrobacter）等，Cr_6d阶段为火山岩海不同颜色的点代表不同处理的样本，两样本点越接近，表明两样本物种组成越相似。Points of different colors represent samples of different treatments.Thecloser the two sample points，the more similar the species composition ofthe two samples.图4 Cr胁迫对细菌群落时空分布