香蕉根际土壤微生物群落代谢功能多样性分析
时间：2023-06-03 19:10:30 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
邵登科，许钰滢，吴凤娟，吕正阳，汪银平，王荣波,鲁国东1,，叶文雨
(1.国家菌草工程技术研究中心，福建 福州 3500021；
2.植物与微生物相互作用福建省高校重点实验室，福建农林大学生命科学学院，福建 福州 350002；
3.福建农林大学植物保护学院，福建 福州 350002；
4.福建省作物有害生物监测与治理重点实验室，福建 福州 350013)
香蕉(MusananaLour.) 是人们喜欢的水果之一，因形状如弓，又称弓蕉。它有着有2000多年的种植历史，其贸易额高居水果世界前列，中国是世界第三大香蕉生产国。香蕉富含维生素、胡萝卜素等营养成分，深受广大群众喜爱。近年来，随着市场需求的推动香蕉产业蓬勃发展，人们对香蕉需求也相对提高[1-3]。
土壤是香蕉生长和吸收营养的主要来源，土壤的养分可直接影响到香蕉的产量水平和营养品质[4]。在土壤中，微生物不仅能够提供能量和营养物质，还能有效反映其微环境的变化，是生态系统的分解者[5-7]。土壤中微生物能加快有机质的分解和养分的转化，能改良环境的状况。在土壤形成与发育过程中，土壤微生物能够改变土壤的肥沃程度，对作物的生长以及果实的成熟具有重要的影响。因此，土壤微生物是维持作物生长稳定的主导因子[8]。
本研究采用生态板(Biology-Eco)，将培养168h的土壤稀释培养液的AWCD数值进行香蕉根际土壤微生物和非根际土壤微生物的主成分、碳源的利用能力、多样性指数分析，以提高土壤中养分资源利用、香蕉产量与品质。
1.1 试验材料
本试验供试土壤样品采自福建省漳州市香蕉根际土与非根际土壤。
1.2 试验方法
1.2.1 土壤样品的采集
采用五点取样法，除去表面杂土，每块地用土钻采集深度为0-20cm的香蕉根际土壤与非根际土壤样品。将采集的样品混合均匀，装入灭菌好的收集袋中，并带回实验室立即处理。
1.2.2 土壤处理与测定方法
取一个灭菌的锥形瓶，加入100ml的0.85% NaCl于其中，随后加入称取5g的新鲜供试土壤，280 rpm震荡30 min后进行混匀，放于冰上静置2-3min，取上清，稀释至1000倍(用灭菌的生理盐水)。在Biology-Eco板中，取三个对照孔，各加入150 ul生理盐水，其余孔用移液枪依次加入150 ul土壤液。25℃恒温避光培养，在590nm波长下使用酶联免疫检测仪测定其吸光度，每天测定一次，共测7d。
1.2.3 测定项目
平均颜色变化率(Average Well Color Development，AWCD)可用来判断根际与非根际微生物的代谢活性，判断香蕉根际土和非根际土壤中微生物的整体代谢活性和碳源的利用率[9-11]。
公式为：
Ci：第i个非对照碳源孔在590nm波长下实际吸光度值；
R：空白对照孔中的吸光度值，其中Ci-R<0的孔记为0；
n：代表生态板底物数量为31。
通过对Shannon多样性指数(H)等三个多样性指数进行公式计算微生物代谢的功能，分析出根际土与非根际土壤中微生物群落代谢功能产生的差异。
公式为：
Pi：代表着第i个碳源孔中的吸光度值与整个平板中非对照孔吸光度值总和的比值，其中Ci-R<0的孔记为0。
Pi=(Ci-R)/∑(Ci-R)
1.2.4 数据处理分析
使用Excel-2021软件对原始数据进行处理，采用SPSS、Origin 2021对主成分进行分析和绘图。
2.1 土壤微生物群落代谢活性的变化
AWCD数值反映了香蕉根际土壤样品中微生物群落整体代谢的多样性以及对碳源利用率，即数值越高，代谢活性越高；
数值越低，活性越低[12-14]。本试验经过选取0-168h AWCD数据，分析香蕉根际土与非根际土壤微生物AWCD数值在各个时段的变化情况(见图1)。结果显示：168h时，香蕉根际土与非根际土土壤微生物对碳源的利用达到最大值，因此选取168h的数据来分析土壤中微生物对碳源的利用情况。
图1 香蕉根际与非根际土壤微生物AWCD值随时间的变化
2.2 土壤微生物对碳源的利用
Biology-Eco微平板中共31种碳源，其中主要碳源可分为六大类[15-16]。通过对比香蕉根际土壤和非根际土壤对不同碳源的利用，记录每类碳源的AWCD数值，从而分析土壤中微生物群落代谢能力产生的差异(见图2)。香蕉根际土利用碳源能力由高到低依次为：氨基酸类(1.1458)>羧酸类(1.0736)>多聚物类(0.8776)>糖类(0.7867)>胺类(0.6106)>酚酸类(0.5759)；
香蕉对照组利用碳源能力由高到低依次为：氨基酸类(1.212)>羧酸类(1.1192)>多聚物类(0.7922)>糖类(0.7534)>胺类(0.5950)>酚酸类(0.5620)。可见香蕉根际与非根际土壤微生物对碳源的利用率在一定程度上存在差别，其中与香蕉非根际土相比，香蕉根际土壤微生物对多聚物类、糖类、胺类和酚酸类的代谢能力有一定的提高，而对氨基酸类和羧酸类的代谢能力略微下降。说明香蕉根际土壤微生物对多聚物类、糖类、胺类和酚酸类的利用能力较高，具有较强的代谢活性。
图2 香蕉根际与非根际土壤微生物对碳源的利用能力
2.3 土壤微生物代谢多样性
研究香蕉根际土与非根际土壤中微生物群落代谢功能的多样性[17-18]，选取培养168h的AWCD数据，对采集的香蕉根际土与非根际土进行微生物碳源利用能力测定和主成分分析(简称PCA)[19]。
主成分分析结果得到单一的碳源对PCA1和PCA2贡献的特征向量系数(见表1)。PCA1中解释方差30.671%，PCA2解释方差22.262%，说明对于PCA2而言，PCA1对群落的贡献较大，与PCA2主成分的贡献率之和达到52.934%，说明提取的PCA1和PCA2主成分可以反映出6类碳源被土壤微生物所利用的情况。
表1 香蕉根际土壤及其对照微生物群落碳源利用主成分分析
本试验只取PCA1和PCA2两个主成分进行分析。从31种碳源(表2)在2个主成分的系数矩阵(图3)中反映了单一碳源对PCA1和PCA2的贡献。对PCA1贡献大的(相对系数的绝对值大于0.5)的碳源有15种，决定了主成分1的变异。其中糖类约占47%，为PCA1主要利用的碳源有7种(C22：D-纤维二糖；
C24：β-甲基-D-葡萄糖苷；
C25：D-木糖；
C26：i-赤藓糖醇；
C28：N-乙酰-D-葡萄糖氨；
C29：1-磷酸葡萄糖；
C31：D-半乳糖酸-γ-内酯)；
酚酸类约占13%，有两种(C13：2-羟基苯甲酸；
C14：4-羟基苯甲酸)；
羧酸类约占13%，有两种：(C15：丙酮酸甲酯；
C16：D-葡糖胺酸)；
多聚物类约占13%，有两种：(C10：吐温80；
C11：α-环式糊精)；
氨基酸类和胺类分别约占7%，各一种(C4：L-丝氨酸；
C10：吐温80)；
对PCA2对贡献大的(绝对值大于0.5)的碳源有12种。其中羧酸类约占33%，为PCA2主要利用的碳源，共有四种(C18：γ-羟丁酸；
C19：衣康酸；
C20：α-丁酮酸；
C21：D-苹果酸)；
糖类占25%，有三种(C23：α-D-乳糖；
C29：1-磷酸葡萄糖；
C31：D-半乳糖酸-γ-内酯);多聚物类约占18%，有两种(C9：吐温40；
C10：吐温80);氨基酸类约占8%，有一种(C2：L-天门冬酰胺)；
胺类约占8%，有一种碳源(C8：腐胺);酚酸类约占8%，有一种(C13：2-羟基苯甲酸)。
表2 Biology-Eco生态板 31种碳源
图3 31种碳源对PC1和PC2贡献的特征向量系数注：A：各组主成分得分；
B：各碳源在第一、第二主成分的载荷分布。
2.4 土壤微生物多样性指数比较分析
土壤微生物多样性指数结果显示(表3)，三个指数存在一定的差异。香蕉根际土的H指数和D指数略大于非根际土，E指数略低于非根际土，表明香蕉的根际土壤微生物群落多样化程度比非根际土略高。
表3 土壤微生物功能多样性指数
本研究分析了福建省漳州市香蕉根际和非根际土壤中微生物群落多样性，发现其代谢功能和碳源利用程度有一定差异。结果表明：选取培养168h的数据，平均变化率(AWCD)值在培养48-144h内，与香蕉非根际土相比，其代谢活性略高，具有一定的代谢能力；
培养168h时，香蕉根际土与非根际土土壤微生物对碳源的利用达到最高值。对碳源的利用能力，香蕉根际土壤微生物对多聚物类、糖类、胺类和酚酸类等四类碳源的代谢能力有一定的提高；
对氨基酸类和羧酸类的代谢能力有略下降的现象。Biology-Eco微平板反应孔的颜色变化孔数越多表明微生物群落种类相对越丰富。本研究香蕉根际土的多样性指数(H)和Simpson 优势度指数(D)略高于非根际土，表明香蕉根际土壤微生物群落丰富度、多样性均比非根际土略高。因此，利用不同地区的土壤是否可以提高作物利用土壤中养分资源能力、提高产量与品质等有待进一步研究。
在主成分分析中，与非根际土壤相比，香蕉根际土壤微生物群落能有效利用多聚物类、糖类、胺类和酚酸类等四类碳源，可能由于香蕉根部对土壤中的微生物群落提供了一定的营养成分，从而对碳源的利用产生一定的差异。
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