半干旱区玉米不同生育期土壤细菌群落结构动态变化.pdf

第 41 卷 第 4 期2023 年 8 月四川农业大学学报Journal of Sichuan Agricultural UniversityVol.41 No.4Aug.2023半干旱区玉米不同生育期土壤细菌群落结构动态变化于淼，郭玲玲，池景良*（辽宁省微生物科学研究院，辽宁 朝阳 122000）摘要：【目的】研究半干旱地区玉米不同生育期耕层土壤细菌群落特征及其影响因素，以期为玉米种植提供科学有效的调控依据。【方法】以辽宁省朝阳市喀左县玉米试验基地为平台，以玉米耕层不同生育期（栽培前、苗期、大喇叭口期、灌浆期、成熟期）土壤为研究对象，利用高通量测序技术及养分测试技术对玉米不同生育期耕层土壤细菌群落结构、群落结构与土壤养分相关性等进行分析，阐明玉米-土壤-细菌互作机制。【结果】5个时期土壤样品中，土壤养分中的全磷（TP）、速效磷（AP）随生育期的延长而增加，有机质（OM）相对稳定，氨氮（AN）与全氮（TN）呈先上升后下降趋势。土壤细菌多样性分析显示，苗期细菌多样性和丰富度均最高，其独有的OTU数和OTU总数也最高。在门水平上，5个时期的土壤细菌群落组成基本一致，其中放线菌门、变形菌门、酸杆菌门和绿弯菌门是半干旱区玉米土壤细菌群落中前 4 位的优势菌门，放线菌门相对丰度最高，占 21.12%32.70%，其次为变形菌门，占 19.68%23.40%。相关性分析表明，细菌群落多样性主要与土壤TN、OM有关。丰富度指数则与AN、OM有关。【结论】玉米耕层土壤养分及细菌多样性均随生育期而发生不同变化，生产中可根据各指标变化规律进行有效调控，为本地区玉米种植合理施肥、高产栽培提供参考。关键词：半干旱区；玉米；细菌；高通量测序；相关性中图分类号：S154.3；S513 文献标志码：A 文章编号：1000-2650（2023）04-0626-05Dynamic Changes of Soil Bacterial Community Structure at Different Growth Stages of Maize in Semi-Arid RegionYU Miao，GUO Lingling，CHI Jingliang*（Microbial Research Institute of Liaoning Province，Chaoyang 122000，Liaoning，China）Abstract:【Objective】To analyze the characteristics of topsoil bacterial community in different growth periods of corn in semi-arid areas and the influencing factors，thus providing scientific and effective references for corn planting.【Method】Using the corn experiment base in Kazuo county，Chaoyang city，Liaoning province as the platform，topsoil bacterial community，community structure and the correlation between the community structure and soil nutrients in the pre-cultivation，seedling，trumpet，filling，and maturity stages of corn were analyzed by the high throughput sequencing and nutrient test，thus clarifying the corn-soil-bacteria interaction mechanism.【Result】In soil samples of 5 stages，total phosphorus（TP）and available phosphorus（AP）levels in soil nutrients increased with the growth period，while the organic matter（OM）level was relatively stable，and ammonia nitrogen（AN）and total nitrogen（TN）levels were first elevated and then reduced.The analysis of soil bacterial diversity showed that the bacterial diversity and abundance at the seedling stage were the highest，and the unique OTU number and total number of OTUs were also the highest.At the phylum level，the composition of the soil bacterial community in the five stages was similar.Among them，the Actinomycota（21.12%-32.70%），Proteobacteria（19.68%-23.40%），Acidobacteria and Chloroflexum were the top four dominant phyla in the topsoil bactedoi：10.16036/j.issn.1000-2650.202108057收稿日期：2022-08-16基金项目：辽宁省“兴辽英才计划”项目（XLYC2002048）；辽宁省农业科学院土壤微生态学科建设项目（2019DD154522）。作者简介：于淼，副研究员，主要从事土壤微生态调节研究，E-mail：。*责任作者：池景良，研究员，主要从事土壤微生态方向研究，E-mail：。第 4 期于淼，等：半干旱区玉米不同生育期土壤细菌群落结构动态变化rial community of corn in the semi-arid area.Correlation analysis showed that the diversity of bacterial communities was mainly related to TN and OM in the soil，while the richness index was related to AN and OM.【Conclusion】The topsoil nutrient and bacterial diversity of the corn changes with the growth stages.Corn production can be effectively controlled based on the change rules of relevant indexes.Our findings provide references for reasonable fertilization and high-yield cultivation of corn planting in this region.Keywords:semi-arid region；corn；bacteria；high-throughput sequencing；correlation analysis玉米具有很强的耐旱性、耐寒性和耐贫瘠性，营养价值较高，是优良的粮食作物1。朝阳地区是典型的半干旱地区，因此玉米种植面积以82.4%左右的比例居本地粮食作物总面积首位。植物的生长和发育机制被土壤微生物直接或间接地影响和改变，细菌其数量巨大，是土壤中的优势菌群。作为重要角色参与了土壤微生态系统中各个环节的运转，如有机物解体、无机物转化，营养成分固化等方面，在维持土壤微生态系统的平衡中发挥了不可替代的重要作用2，土壤微生物种类和数量与功能息息相关，因此微生物多样性的变化，直接影响到各种微生物不同功能的发挥以及互作，从而对植物养分吸收和生长发育产生影响。土壤微生物主要受作物根系分泌物和脱落物的影响，两者是土壤微生物特定的碳源和能源主要提供者，作物不同生长时期的根系分泌物和脱落物的成分和数量不同，以此控制根系微生物的数量及多样性3-7。环境条件是土壤微生态变化的重要影响因子。研究表明，通过耕作措施调节土壤微生态环境，可以帮助植物抵御高温、干旱和高盐等胁迫环境变化8。因此本研究通过对朝阳地区不同生育期的玉米耕层土壤进行系统的采样监测，分析不同生育期玉米耕层土壤养分含量和细菌群落多样性变化，揭示其动态变化趋势，阐明在干旱胁迫条件下玉米-土壤-微生物之间的协同互作关系，为玉米种植过程中精准施肥和土壤培育提供参考依据，以期科学提高土壤地力，促进农业的可持续性发展。1材料和方法1.1试验地概况和样品采集试验基地位于辽宁省朝阳市六官营子镇东前沟村，土壤类型为褐壤。经纬度为11939251193932E、410915410919N之间。玉米种植时间10年以上，为保持一致性，选择春玉米吉第67为供试玉米品种，底肥选择施用缓释剂型玉米专用复合肥（N P2O5K2O=28 14 12），用量为600 kg/hm2，种植面积大于30 hm2。生长季未再追肥，浇水、除草措施等田间管理按照当地习惯进行。分别于玉米栽培前、苗期、大喇叭口期、灌浆期及成熟期，在玉米根际附近，按照五点取样法取样，土壤混匀作为一个样品，不同时期土样分别编号为 Zpq、MQ、DLBQ、GJQ和CSQ。所有样品置于车载冰箱带回实验室，一部分用于土壤细菌的高通量测序。一部分用于土壤养分测定。1.2耕层土壤样品的测定土壤有机质含量的测定采用重铬酸钾滴定法；土壤全氮、全磷、速效磷和氨态氮均采用全自动流动分析仪法测定9-10。细菌多样性利用高通量测序法进行测定（美吉生物）。1.3分析及数据处理进行生物信息统计生成 OTU 表、chao、Ace、Shannon、Simpson以及Coverage指数1112。利用在线R语言工具进行作图、环境因子关联分析，以上均在美 吉 生 物 云 平 台 完 成。使 用 WPS office、DPS V9.50、Origin2020等软件进行数据处理和绘图，差异显著性比较选择LSD法。2结果与分析2.1土壤养分含量变化养分含量是反映土壤肥力的重要指标，直接影响植株生长。如表1所示，TP、AP在玉米整个生育期都呈上升趋势，这与缓释肥的肥力释放有关，OM较为稳定，TN则呈现先下降后又上升的趋势。而AN的数值在苗期最低。2.2土壤微生物的高通量测序分析2.2.1不同生育期OUT丰度及多样性指数玉米5个生育期共计15个样品运用MiSeq高通量测序平台得到双端序列数据，进行拼接和质控过滤后得到有效序列790 520条。将序列群在97%的相似度水平下进行OTU分类，得到的OTU总数为661 081个。横坐标为随机抽取的测序数据量，纵坐标为sobs指数，建立样品稀释曲线如图1所示。627四川农业大学学报第 41 卷 测序数量达到一定数量后每个时期样品曲线均趋平缓，说明测序深度已经足够，本次测序结果的置信度可靠，真实地反映各样品的细菌群落结构。从图2可以看出，Zpq、MQ、DLBQ、GJQ和CSQ各自的OTU个数分别为3 941、4 670、4 118、4 089和 4 087。5 组样本共有的 OTU 数目为 2 589 个，Zpq、MQ、DLBQ、GJQ和CSQ特有的OTU数目分别为73、117、98、73和48个。MQ中OTU总数表明该时期细菌群落数量最多，而特有的OTU数最多则表明该时期样品较