2022, Vol. 43
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
2. Breeding Base for State Key Laboratory of Land Degradation and Ecological Restoration in Northwest China, Ningxia University, Yinchuan 750021, China;
3. School of Geography and Planning, Ningxia University, Yinchuan 750021, China;
4. School of Life Science, Ningxia University, Yinchuan 750021, China
地理分布广泛的植物, 由于长期生长在异质环境条件下, 其形态和生理特征为了适应当地的环境会发生变异, 形成特定的地理种源[1].有研究表明, 植物性状的变异受遗传和环境共同作用, 同质园试验将不同地理种群移栽至同质环境下, 剔除环境因素的影响, 已成为检验遗传因素对植物性状变异的重要手段[2]. Ayre等[3]的研究发现, 将不同种源植物移栽到相同环境下, 叶功能性状受到种源地环境影响存在差异.安海龙等[4]研究不同种源黄柳(Salix gordejevii)叶功能性状指出, 种源地气候是影响植物叶功能性状变异的关键因子.王楚楚等[5]的研究指出, 引种期同质园翅荚木(Zenia insignis)叶功能性状受种源地温度和湿度的影响.以上研究结果表明遗传因素会对不同种源植物性状的适应机制及策略产生影响, 然而, 关于影响植物土壤微生物群落结构变化因子的研究却鲜见报道.
土壤微生物是土壤生态系统中最具有生命活力的组成部分, 参与碳、氮循环及有机质分解和养分转化等过程, 在维持土壤生态功能中发挥着重要作用[6].根际微生物是连接植物和土壤的纽带, 对植物的生长、资源分配和化学组成至关重要.现已发现, 根际土壤微生物群落多样性受地理距离、气候条件、土壤属性和植物功能性状的影响[7~10].如Wang等[8]研究干旱和半干旱生态系统时发现, 年降水量在维护土壤微生物网络结构和拓扑方面发挥着重要作用, 丁新景等[9]的研究指出土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量是影响根际土壤细菌群落多样性的主要因子, Delgado-Baquerizo等[10]的研究发现在区域大尺度上, 植被属性与土壤微生物群落多样性密切相关.土壤细菌群落多样性对环境变化十分敏感, 同质园能够最大程度地降低气候和立地条件差异的影响, 在局部适应性研究中发挥着重要作用[11], 但目前关于同质园的研究多集中在植物叶性状差异及其影响机制, 对不同种源植物根际土壤细菌群落多样性及其与环境因子的相关性研究较缺乏.
锦鸡儿属(Caragana)隶属豆科, 多生长在沙质土壤、固定和半固定沙地或黄土丘坡上, 主要分布在我国东北、华北及西北等草原和干旱荒漠区.植物根系发达, 有根瘤, 具有固氮、耐旱的特性, 对荒漠地区植被恢复具有重要意义.目前关于锦鸡儿属植物的研究主要集中在形态结构生理生态、抗旱相关基因和遗传多样性的研究[12~14].有关土壤微生物的报道中, Na等[7]研究了不同环境梯度下锦鸡儿属植物根际土壤细菌群落多样性, 发现土壤pH是驱动土壤细菌多样性的重要因子, 且不同生境下鬼箭锦鸡儿(Caragana jubata)和荒漠锦鸡儿(Caragana roborovskyi)根际土壤细菌群落组成存在差异[15], 但是对于该属植物不同种源在同质园环境下, 植物根际土壤细菌群落多样性及其影响因素还缺乏研究.因此, 本研究以小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、中间锦鸡儿(Caragana liouana)和荒漠锦鸡儿为研究对象, 通过同质园种植试验, 以期解决以下2个问题: ①同质环境下锦鸡儿属植物根际土壤细菌多样性和群落结构是否存在种内与种间差异？②同质环境下锦鸡儿属植物根际土壤细菌群落结构构建的主导因素是什么？本研究结果将有助于理解锦鸡儿属植物对不同环境响应和适应机制, 并为相关部门选择适宜的锦鸡儿属植物引种栽培及开展优良种源的培育提供理论指导与决策参考.
1 材料与方法 1.1 试验地概况研究区位于宁夏银川植物园(38°25′12″N, 106°10′12″E), 该区域位于半荒漠地区, 气候类型属于中温带半干旱大陆性气候, 海拔1 130 m, 年降水量为180~220 mm, 年均温8.7℃, 无霜期为165~170 d, 日照充足, 昼夜温差大.
本试验材料为同质园1.5年生小叶锦鸡儿、中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿, 种子分别采自9个不同地理和气候特征的种源地(表 1).3种锦鸡儿不同种源地种子于2018年12月在培养间内育苗(室温25℃), 土壤为沙土和珍珠岩1∶1混合土.于2019年4月移栽至同质园试验地, 样地为1 m×1 m的小区, 每个小区栽种9株, 每个种源地幼苗栽种3个小区作为重复, 株行距为0.3 m×0.3 m.
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表 1 小叶锦鸡儿、中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿不同种源地理和气候因子信息 Table 1 Geographical and climatic information of different sampling sites collecting seeds of C. microphylla, C. liouana, and C. roborovskyi |
1.2 土壤样本采集与分析
于2020年8月, 在同质园内采集小叶锦鸡儿、中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿根际土壤样本共计27个.在每个小区, 选择3株植株, 挖取植株根, 用无菌剪刀快速剪下直径小于2 mm的根, 抖去浮土, 转至5 mL无菌离心管中, 每个小区内所取得的根混合成1个样本, 置于液氮、备用[5].向盛有新鲜3种锦鸡儿根样的离心管内加入2.5 mL无菌0.9%NaCl溶液, 4℃下, 12 000 g离心10 min, 弃去上清液, 收集离心管底部根际土壤, 此步重复3次[7].同时, 在采集根样的植株附近10 cm处, 利用土钻采集表层(0~20 cm)土壤样品, 并将每个小区内所取得的3份土壤样品均匀混合成1个样本, 即每个采样点3个重复, 共计27个土样, 土样风干后过筛, 用于测定土壤理化性质.
土壤理化性质测定参照文献[16]的方法, 测定指标包括土壤pH、电导率(EC)、土壤有机碳(SOC)、全氮(TN)和全磷(TP).
1.3 种源地地理和气候因子获取采集种子过程中利用便携式GPS仪(eTrex Venture, Garmin, 美国)记录各采样点的经度、纬度和海拔, 并根据经纬度信息在IWMI(International Water Management Institute)在线气候服务平台(http://wcatlas.iwmi.org/Default.asp)获取各采样点年均温和年降水量, 具体种源地地理和气候信息见表 1.
1.4 土壤细菌DNA提取、PCR扩增和测序采用CTAB改进方法对土壤样本基因组DNA进行提取, DNA浓度和纯度的检测使用琼脂糖凝胶, 取适量的样品于离心管中, 使用无菌水稀释样本至1 mg·L-1.以稀释后的基因组DNA为模板, 扩增细菌16S rDNA V4区段, 引物为515F(5′-GTGCCA GCMGCCGCGGTAA-3′)和806R(5′-GGACTACHV GGGTWTCTAAT-3′).利用Phusion® High-Fidelity PCR Master Mix with GC Buffer(New England Biolabs公司)和高效高保真酶进行PCR, RCR扩增反应体系和条件参照文献[17], PCR产物使用2%浓度的琼脂糖凝胶进行电泳检测.由北京诺禾致源科技股份有限公司进行后续样品建库和上机测序.
1.5 数据分析所测得原始序列截去Barcode序列和引物序列后, 经FLASH拼接获得原始Tags数据.使用QIIME(v.1.9.1)软件对原始序列进行质量过滤, 得到高质量数据, 并将Tag序列与物种注释数据库进行比对检测嵌合体序列, 去除嵌合体序列, 得到最终有效数据.利用UPARSE(v.7.0.1001)软件对序列数据在97%的相似度水平进行聚类, 采用Mothur方法和比对SILVA132(http://www.arb-silva.de/)的SSUrRNA数据库进行物种注释分析.使用QIIME(v.1.9.1)计算基本分类单元数、物种数、Chao1指数、Shannon指数和Simpson指数.利用SPSS 22.0进行单因素方差和双因素方差分析细菌多样性指数及土壤细菌优势菌群相对丰度差异; 采用Pearson相关系数对多样性指数与生态因子进行相关性分析.运用R(v.3.4.3)软件绘制土壤细菌群落OTUs的韦恩图和花瓣图、土壤细菌优势门相对丰度图和属水平土壤细菌群落结构热图; 利用Vegan包进行土壤细菌群落结构的主坐标分析(principal coordinate analysis, PCoA); 采用相似性分析(analysis of similarities, ANOSIM)表征3种锦鸡儿属植物根际土壤细菌群落结构的差异性; 使用UPGMA法对同种锦鸡儿不同种源优势细菌门进行聚类分析.利用Canoco5.0进行冗余分析(redundancy analysis, RDA)和蒙特卡罗检验分析环境因子对土壤细菌群落结构的影响.
2 结果与分析 2.1 样地土壤理化指标分析由表 2可知, 小叶锦鸡儿土壤pH变化范围为9.12~9.19, 电导率为101.62~128.93 μS·cm-1, ω(SOC)为4.94~6.24 g·kg-1, ω(TN)为0.41~0.54 g·kg-1和ω(TP)为0.34~0.37 g·kg-1.中间锦鸡儿土壤pH变化范围为9.15~9.20, 电导率为91.70~102.03 μS·cm-1, ω(SOC)为4.61~6.21 g·kg-1, ω(TN)为0.36~0.49 g·kg-1和ω(TP)为0.34~0.38 g·kg-1.荒漠锦鸡儿土壤pH变化范围为9.09~9.15, 电导率为111.25~138.92 μS·cm-1, ω(SOC)为4.29~6.23 g·kg-1, ω(TN)为0.35~0.48 g·kg-1和ω(TP)为0.37~0.38 g·kg-1.中间锦鸡儿土壤电导率显著低于小叶锦鸡儿和荒漠锦鸡儿, 其他土壤理化性质均无显著性差异.
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表 2 同质环境下小叶锦鸡儿、中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿土壤理化性质1) Table 2 Soil physicochemical properties of C. microphylla, C. liouana, and C. roborovskyi in a common garden |
2.2 不同锦鸡儿属植物土壤细菌DNA测序分析
通过Illumina HiSeq高通量测序, 共得到有效序列2 385 742条, 质控过滤和去除嵌合体后得到1 791 237条优质序列, 序列平均长度411 bp左右.全部样品测得的总OTU数目为5 204个, 其中, 3种锦鸡儿共有的OTU数目为3 134个, 约占总数的60.2%.3种锦鸡儿根际土壤中特异OTU分布数目为: 荒漠锦鸡儿>小叶锦鸡儿>中间锦鸡儿, 即荒漠锦鸡儿根际土壤中独有的OTU数目最多, 为766个, 中间锦鸡儿最少, 为545个, 分别占全部OTU数目的14.7%和10.5%[图 1(a)].
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(a)不同锦鸡儿属植物; (b)同种锦鸡儿属植物不同种源地 图 1 小叶锦鸡儿、中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿根际土壤细菌OTU比较 Fig. 1 Comparison of bacteria OTU in rhizosphere soil of C. microphylla, C. liouana, and C. roborovskyi |
花瓣图显示了同种锦鸡儿属植物不同种源地特异和共有OTU数目的差异.由图 1(b)可知, 3种锦鸡儿不同种源根际土壤细菌群落共有的OTU数目为1 295个.小叶锦鸡儿不同种源地中特异OTU数量为: CM2>CM3>CM1, 中间锦鸡儿不同种源地中特有OTU数量为: CL3>CL2>CL1, 荒漠锦鸡儿不同种源地中特有OTU数量为: CR3>CR2>CR1.
2.3 不同锦鸡儿属植物土壤细菌群落多样性由表 3可知, 物种间差异显著影响根际土壤细菌香农指数和辛普森指数, 且种源和物种的交互作用对根际土壤细菌多样性具有显著性影响, 表明不同锦鸡儿属植物根际土壤细菌多样性存在显著差异.此外, 在同种锦鸡儿属植物不同种源地发现, 中间锦鸡儿种源地CL3土壤细菌多样性显著高于种源地CL1和种源地CL2.
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表 3 小叶锦鸡儿、中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿根际土壤细菌多样性指数1) Table 3 Soil bacterial diversity indexes in rhizosphere of C. microphylla, C. liouana, and C. roborovskyi |
基于UniFrace距离算法, 采用PCoA分析小叶锦鸡儿、中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿根际土壤细菌群落结构差异.如图 2所示, 在OTU水平上, PC1轴和PC2轴对结果的解释度分别为56.23%和17.15%, 结合ANOSIM组间差异检验(R=0.269, P=0.001), 表明3种锦鸡儿属植物根际土壤细菌群落结构组成差异显著.其中, 小叶锦鸡儿与荒漠锦鸡儿存在极显著性差异, 中间锦鸡儿与小叶锦鸡儿和荒漠锦鸡儿差异显著.
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图 2 小叶锦鸡儿、中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿根际土壤细菌群落结构的主坐标分析(PCoA) Fig. 2 Principal coordinate analysis (PCoA) of soil bacterial community composition in rhizophere of C. microphylla, C. liouana, and C. roborovskyi |
所有样品共检测到细菌42门55纲123目244科558属.在门水平上, 小叶锦鸡儿、中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿根际土壤中相对丰度排名前十的优势细菌门分别为变形菌门(Proteobacteria)、蓝藻门(Cyanobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、绿弯菌门(Chloroflexi)以及未分类的细菌门(unidentified_Bacteria), 以上细菌的相对丰度占各样品总序列数的93.59%~99.33%[图 3(b)].由表 4可知, 不同锦鸡儿属植物根际土壤细菌优势门存在显著差异, 其中, 小叶锦鸡儿土壤中芽单胞菌门相对丰度显著高于中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿.中间锦鸡儿土壤中变形菌门相对丰度显著高于荒漠锦鸡儿.荒漠锦鸡儿土壤中拟杆菌门相对丰度显著高于小叶锦鸡儿, 绿弯菌门相对丰度显著高于中间锦鸡儿.
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(a)UPGMA聚类树结构; (b)各样本在门水平上的物种相对丰度分布 图 3 门水平上小叶锦鸡儿、中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿根际土壤细菌优势群落分布与聚类分析 Fig. 3 Distribution of dominant bacterial communities at the phylum level and UPGMA analysis in rhizosphere soil of C. microphylla, C. liouana, and C. roborovskyi |
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表 4 小叶锦鸡儿, 中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿根际土壤中优势菌群相对丰度差异1) Table 4 Differences in relative abundances of bacterial phyla and genera in rhizosphere soil of C. microphylla, C. liouana, and C. roborovskyi |
在属水平上, 3种锦鸡儿根际土壤中细菌相对丰度大于0.1%的共73个, 主要以苯基杆菌属(Phenylobacterium)、剑菌属(Ensifer)、鞘氨醇菌属(Chitinophaga)、链霉菌属(Streptomyces)、类固醇杆菌属(Steroidobacter)、贪噬菌属(Variovorax)、假单胞菌属(Pseudomonas)、新鞘脂菌属(Novosphingobium)和Dongia为主要类群(图 4).由表 4可知, 3种锦鸡儿根际土壤中优势属相对丰度存在差异.其中, 苯基杆菌属、Dongia和德沃斯氏菌属(Devosia)相对丰度在小叶锦鸡儿土壤中显著高于中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿.荒漠锦鸡儿土壤中新根瘤菌属(Neorhizobium)和农研丝杆菌属(Niastella)相对丰度显著高于小叶锦鸡儿, 而炔草酯降解菌属(Sphingopyxis)、酸杆菌属(Acidibacter)、贪噬菌属、新鞘脂菌属和假诺卡氏菌属(Pseudonocardia)相对丰度显著低于小叶锦鸡儿和中间锦鸡儿.此外, 类固醇杆菌属和假黄色单胞菌属(Pseudoxanthomonas)在3种锦鸡儿之间存在显著差异.
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图 4 属水平上小叶锦鸡儿、中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿细菌群落结构热图 Fig. 4 Heat map of bacterial community structures of C. microphylla, C. liouana, and C. roborovskyi at genus level |
利用Bray-Curtis距离, 采用UPGMA法对3种锦鸡儿不同种源优势细菌门进行聚类分析.如图 3(a)所示, 3种锦鸡儿不同种源优势细菌门明显聚为3类, 除小叶锦鸡儿不同种源优势门聚为一类, 其他2种锦鸡儿不同种源优势门均存在差异.中间锦鸡儿种源地CL1和CL2土壤中变形菌门相对丰度显著高于种源地CL3, 而放线菌门和厚壁菌门相对丰度显著低于种源地CL3.荒漠锦鸡儿种源地CR3土壤中蓝藻门相对丰度显著高于种源地CR1和种源地CR2, 而变形菌门和厚壁菌门相对丰度显著低于其他2个种源地.
由属水平热图分析可知(图 4), 链霉菌属(Streptomyces)、列契瓦尼而氏菌属(Lechevalieria)、类诺卡氏菌属(Nocardioides)、壤霉菌属(Agromyces)、假诺卡氏菌属、假单胞菌属和中慢生根瘤菌属(Mesorhizobium)相对丰度在中间锦鸡儿种源地CL3根际土壤中显著高于种源地CL1和种源地CL2.荒漠锦鸡儿种源地CR3根际土壤中链霉菌属、列契瓦尼而氏菌属、类诺卡氏菌属、糖霉菌属(Glycomyces)和未分类蓝藻门(unidentified_Cyanobacteria)相对丰度显著高于种源地CR1和种源地CR2, 而剑菌属、新根瘤菌属、溶杆菌属(Lysobacter)和鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)相对丰度显著低于其他2个种源地.
2.5 不同锦鸡儿属植物土壤细菌多样性和群落结构与生态因子的关系由表 5可知, 年降水量与土壤细菌物种数和Chao1指数显著负相关.种源地海拔、年均温与香农指数和辛普森指数无显著相关性, 且同质园土壤理化性质与土壤细菌多样性指数也无显著相关性, 表明年降水量对根际土壤细菌多样性具有重要影响.
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表 5 小叶锦鸡儿、中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿根际土壤细菌α多样性指数与生态因子的相关系数1) Table 5 Correlation coefficients between bacterial α diversity indexes and ecological factors in rhizosphere soil of C. microphylla, C. liouana, and C. roborovskyi |
由冗余分析(RDA)排序可知(图 5), RDA第一轴与年降水量正相关, 第二轴与海拔呈正相关, 表明种源地年降水量和海拔是影响根际土壤细菌群落结构的关键因素.蒙特卡罗检验结果显示(表 6), 年降水量(F=4.5, P=0.02)和海拔(F=3.9, P=0.032)是影响3种锦鸡儿根际土壤细菌群落结构变化的关键因子.
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图 5 小叶锦鸡儿、中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿根际土壤细菌群落结构与生态因子的冗余分析 Fig. 5 Redundancy analysis of bacterial community composition and ecological factors in rhizosphere soil of C. microphylla, C. liouana, and C. roborovskyi |
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表 6 生态因子对小叶锦鸡儿、中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿根际土壤细菌群落结构的影响1) Table 6 Effects of ecological factors on composition of bacterial community in rhizosphere soil of C. microphylla, C. liouana, and C. roborovskyi |
3 讨论 3.1 不同锦鸡儿属植物根际土壤细菌多样性和群落结构差异
已有研究表明, 植被类型的差异会影响凋落物的数量和根系分泌物的种类[18~20], 改变植物根际周围土壤有机碳和养分含量情况, 造成根际土壤微生物多样性的变化.刘洋等[21]研究黄土高原草原植被与森林植被土壤细菌时发现, 不同植被类型下土壤细菌多样性存在差异, 戴雅婷等[22]对库布齐沙地不同植被恢复类型根际土壤细菌多样性分析, 认为油蒿(Artemisia ordosica)土壤细菌多样性高于中间锦鸡儿.与此类似, 本研究中物种与土壤细菌多样性指数显著相关(表 3), 表明不同锦鸡儿属植物根际土壤细菌多样性存在显著差异, 这与之前关于同质环境下叶片性状变异的研究结果一致[3~5], 锦鸡儿属植物根际土壤细菌多样性在一定程度上受到遗传因素(种源地的环境因素)影响.此外, 研究发现同种锦鸡儿属植物不同种源地根际土壤中, 中间锦鸡儿种源地CL3土壤细菌多样性显著高于其他2个种源地, 原因是不同种源地年均温和年降水存在差异.
同质环境下, 小叶锦鸡儿、中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿根际土壤细菌群落结构存在显著差异(图 2), 表现为在各水平上组成相似, 但物种相对丰度因植物种类而存在差异.变形菌门、蓝藻门和放线菌门是研究区三大优势菌群(图 3), 这与其他荒漠植物研究结果相似[23].本研究中蓝藻门为次优势菌门, 这是因为蓝藻门是一种自养型细菌, 具有固氮、固碳的功能, 且对土壤盐胁迫具有一定的适应性[24], 因此, 这类细菌能在养分贫瘠、高盐环境中定殖生长.放线菌门属于革兰氏阳性细菌, 能够分解木质素和纤维素[25], 进而为土壤微生物的生长提供更多养分.干旱半干旱地区土壤偏碱性, 而放线菌门喜欢微碱性环境[23], 这使其在该地区分布较广.赵娇等[26]研究黄河三角洲盐生植物根际土壤细菌时发现, 芽单胞菌门在人工种植的轻度耐盐植物玉米和棉花中相对丰度较高, 说明芽单胞菌门具有耐盐或嗜盐的特点, 本研究中小叶锦鸡儿根际土壤中芽单胞菌门相对丰度含量较高.有研究表明拟杆菌门和绿弯菌门具有耐贫瘠和抗旱性的特点[27], 本研究中荒漠锦鸡儿土壤中拟杆菌门和绿弯菌门相对丰度较高.同种植物不同种源地间差异结果显示, 中间锦鸡儿种源地CL3根际土壤中放线菌门和厚壁菌门相对丰度显著高于种源地CL1和种源地CL2, 原因是种源地CL3年降水量较低, 而放线菌门和厚壁菌在干旱环境和碱性土壤中能够正常生长.荒漠锦鸡儿种源地CR3年均温和年降水量显著低于其他2个种源地, 造成该地区气候干旱且土壤养分贫瘠, 而蓝藻门对极端环境适应性强, 这使其在种源地CR3土壤中具有较高的相对丰度.
在属水平, 苯基杆菌属在根际土壤中相对丰度最高, 其次是剑菌属、鞘氨醇菌属、类固醇菌属和贪噬菌属(表 4和图 4).这些细菌具有固氮、解磷和利于有机质矿化的作用[28, 29].其中, 类固醇杆菌属和假黄色单胞菌属在3种植物土壤中差异显著, 张宏媛等[29]研究类固醇杆菌属时发现, 其相对丰度含量与土壤有机质相关, 表明土壤养分可能是导致类固醇杆菌属在3种锦鸡儿土壤中产生差异的原因.小叶锦鸡儿土壤中苯基杆菌属、Dongia和德沃斯氏菌属相对丰度较高, 这些细菌具有固氮能力[30], 能够为小叶锦鸡儿的定殖生长提供营养物质.荒漠锦鸡儿土壤中新根瘤菌属和农研丝杆菌属相对丰度显著高于小叶锦鸡儿.新根瘤菌属不仅可以与宿主形成共生体系, 进行生物固氮, 而且能通过降低土壤pH, 提高难溶性磷的有效性, 保证植物在低磷土壤中正常生长[31].同种植物不同种源中间锦鸡儿种源地CL3土壤中一些有益菌的相对丰度显著高于种源地CL1和种源地CL2, 如对植物病原菌产生拮抗作用的链霉菌属和类诺卡氏菌属[32], 具有耐盐碱性的假单胞菌属和与固氮有关的中慢生根瘤菌属[33].同时, 荒漠锦鸡儿种源地CR3根际土壤中链霉菌属, 列契瓦尼而氏菌属, 类诺卡氏菌属, 糖霉菌属和未分类蓝藻门相对丰度也显著高于种源地CR1和种源地CR2.
3.2 同质环境下锦鸡儿属植物根际土壤细菌群落结构构建的驱动因素有研究发现, 土壤细菌多样性受降水、土壤pH及土壤养分含量等因子的调控[34~36], 其种类和数量的改变反映了植物对环境变化的响应和适应.本试验将不同来源的3种锦鸡儿居群栽培在相同的环境中, 发现种源和物种的交互作用对根际土壤细菌多样性具有显著性影响(表 3), 说明根际土壤细菌多样性变化受种源地环境和遗传因素共同作用.钱秋平等[37]通过对比研究4个大豆品种不同基因型对根际土壤微生物群落的影响, 发现其中两个品种对土壤微生物群落多样性变化的影响差异明显.颜朗等[38]的研究认为基因型对微生物群落的影响与不同品种根系分泌物有关, 且根系分泌物对根际土壤微生物的数量和组成发挥着重要作用.干旱半干旱生态系统的降水量变化较大, 土壤水分有效性的变化会直接影响土壤微生物细胞的生长和活性[39], 同时也可能引起地上植被生长状况以及土壤理化性质发生改变, 导致微生物生长环境发生变化, 影响土壤微生物多样性[8].有研究发现, 水分变化会改变土壤微生物的物质循环和能量流动, 且适宜的水分条件有利于土壤微生物量和微生物活性的增加[40].本研究中, 年降水量与细菌物种数、Chao1指数呈显著负相关, 表明对干旱环境的适应性可能是决定土壤微生物生物量对降水改变的独特响应.
本研究中, 种源地年降水量和海拔是驱动3种锦鸡儿属植物根际土壤细菌群落结构变化的关键因子(表 6), 原因是海拔梯度的变化, 会引起气候因子的改变[41], 植物为适应环境其功能性状会随之发生变化, 进而影响根际土壤细菌群落结构变化.安海龙等[4]通过研究来自6个种源地的黄柳, 发现种源地气候是解释种源差异对植物叶功能性状的重要影响因素, Robson等[42]的研究指出不同种源植物在适应相同环境条件时, 植物会产生基因变异, 这也会导致其功能性状产生差异.植物功能性状与土壤过程和生态系统功能联系密切, 能够表征生态环境的变化.已有研究表明, 植物功能性状与土壤微生物群落多样性具有显著相关性[43], 如Wang等[44]的研究指出叶片碳氮比含量可以直接影响土壤细菌群落结构变化, Delgado-Baquerizo等[10]研究温带草原土壤微生物时发现, 叶片氮含量和比叶面积是调节土壤细菌群落结构构建的重要因子.此外, 本研究中, 同质园土壤理化性质与根际土壤细菌群落结构和多样性间无显著相关性, 这与Stefanowicz等[45]的研究结果一致, 表明根际土壤细菌群落多样性可能受到其他土壤性质或凋落物特征的影响.
4 结论同质环境条件下, 3种锦鸡儿属植物根际土壤细菌群落多样性在种间和种内存在显著差异.不同锦鸡儿属植物根际土壤细菌群落结构组成种间差异结果表明, 小叶锦鸡儿土壤中芽单胞菌门相对丰度较高; 中间锦鸡儿土壤中变形菌门相对丰度显著高于荒漠锦鸡儿; 荒漠锦鸡儿土壤中拟杆菌门相对丰度显著高于小叶锦鸡儿, 绿弯菌门相对丰度显著高于中间锦鸡儿.在属水平, 小叶锦鸡儿土壤中分布较多具有固氮能力的细菌属; 荒漠锦鸡儿土壤中新根瘤菌属和农研丝杆菌属相对丰度显著高于小叶锦鸡儿.同种植物不同种源地土壤细菌群落多样性比较显示, 中间锦鸡儿不同种源地土壤细菌多样性存在显著差异, 且中间锦鸡儿和荒漠锦鸡儿不同种源地土壤细菌群落结构组成不同.冗余分析结果表明, 3种锦鸡儿属植物根际土壤细菌群落结构变化与种源地气候密切相关.
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