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不同生境黑老虎根际和内生真菌多样性分析.pdf

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资源描述

1、 .():/.:./.刘涛 马楠 金吉芬 等.不同生境黑老虎根际和内生真菌多样性分析.广西植物():.():.不同生境黑老虎根际和内生真菌多样性分析刘 涛 马 楠 金吉芬 彭志军 李兴忠 汪得凯(.贵州省果树科学研究所 贵阳 .浙江理工大学 生命科学与医药学院杭州 .贵州省农作物品种资源研究所 贵阳 )摘 要:为探究不同生长条件下黑老虎根际和根部内生真菌群落组成和多样性及其与土壤环境因子的相关性该文应用 高通量测序方法对贵州 个不同生境下黑老虎根际和根部内生真菌进行了研究 结果表明:()种生境下根际土壤真菌 数量()远多于根部内生真菌()其中根际土壤真菌共有的 为 个共注释到 个门、个属大多为

2、子囊菌门属水平上被孢霉属、外瓶柄霉属、柱孢属占比较高根部内生真菌共有的 为 个共注释到 个门、个属子囊菌门(个占比.)占绝对优势属水平上被孢霉属、外瓶柄霉属、柱孢属和丛赤壳属占比最高 所有样本中共有的 仅为 个注释到 个门、个属子囊菌门(个占比.)为优势门在属水平上占比最高的为外瓶柄霉属(个.)其余分别为被孢霉属、柱孢属和丛赤壳属 多样性分析表明根际土壤的真菌群落多样性和丰富度均显著高于根部内生真菌而野生生境的真菌多样性高于栽培生境()在门水平上 个生境下主要内生真菌类群均为子囊菌门()和担子菌门()占总菌群的.在属水平上不同生境条件下根际和根部内生真菌群落结构差异明显栽培生境下根部内生真菌菌

3、群具有一定的偏好性而野生生境下根部内生真菌菌群均匀度更高 真菌群落功能预测显示栽培生境下的病理腐生营养型()在根部内生真菌中占比较高而野生生境下的腐生营养型()及共生营养型()占比较高()土壤环境因子对根部内生真菌和根际真菌的影响方式不同其中土壤总钾()和土壤总磷()与黑老虎根部内生真菌香农指数和辛普森指数显著正相关而土壤有机质()、总氮()和速效氮()与黑老虎根际土壤真菌 指数和 指数显著正相关 综上表明、是影响黑老虎根际土壤真菌群落的主要土壤环境因子关键词:黑老虎 高通量测序 真菌群落 土壤环境因子 多样性中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:浙江省重点研发项目()浙江

4、理工大学科研启动基金()第一作者:刘涛()硕士副研究员研究方向为果树栽培育种().通信作者:汪得凯博士研究员研究方向为药用植物资源().(.):.:()()().(.).(.).(.).().().()().()()().:黑 老 虎()隶 属 五 味 子 科()南五味子属()其果实富含多种氨基酸、维生素、粗蛋白质、可溶性糖等营养成分是一种历史悠久的民间药材植物 近年来黑老虎因丰富的营养和独特的风味而深受消费者的欢迎在贵州黔东南、湖北恩施及湖南通道等南方地区作为一种新型特色水果成为脱贫致富的林下产业(刘涛等高渐飞等)黑老虎在医药、保健食品及食品领域展现出广阔的应用前景(.王丽军等)植物宿主与内

5、生真菌、根际土壤真菌交互作用形成复杂的调控网络共同维持生态系统的动态平衡(.)植物内生真菌生活在宿主体内不会引起宿主明显病症与宿主协同进化利用宿主营养供自身需要同时在植物生长发育、增强逆境抵抗能力和生物系统演化等方面发挥重要作用(.)此外内生真菌在与宿主的长期相互作用中通过影响和调节宿主次生代谢产物的合成及累积影响宿主活性物质的分布和含量或可以产生与宿主植物类似的次生代谢物广泛应用于农学、医学、工业和生物技术等领域()根际真菌一方面利用植物中的碳水化合物进行生长发育在有机质转化、碳氮循环和促进土壤环境 期刘涛等:不同生境黑老虎根际和内生真菌多样性分析健康等方面发挥重要作用另一方面其自身新陈代谢

6、所产生的产物反过来可以促进或抑制植物的生长()而同为木兰科的五味子内生真菌研究有一些报道五味子属植物中含有丰富的内生真菌从不同来源、不同组织中分离的内生菌具有抗氧化、拮抗植物病原 菌 等 功 能(潘 争 艳 等 .张誉荠等)此外从五味子中陆续分离的一些内生真菌能够产生与宿主植物类似的木脂素及三萜类或具有转化宿主次生代谢物的功能(.)刘涛等()利用高通量测序技术对黑老虎不同组织内生真菌进行了分析明确了不同组织内生真菌群落的结构和功能特征 植物内生真菌和根际真菌群落组成和结构受物种、地理环境、气候和土壤特性等多种因素影响(.王艳等)目前对黑老虎及南五味子属的研究多集中于营养成分和药理学研究而对黑老

7、虎根际真菌和内生真菌组成和多样性研究尚不多见本研究采用 高通量测序技术研究了栽培和野生生境下多年生成熟黑老虎根际真菌和根部内生真菌群落结构、组成和多样性并开展了真菌多样性和土壤理化因子的相关性分析以期为黑老虎资源保护、土壤根际微生态环境研究及有益微生物的发掘和利用提供基础材料与方法.采样地点及样品处理选取贵州省 个黑老虎代表性研究样地(个样地)贵阳()样地贵阳市贵州果树研究所黑老虎种质资源圃(.、.)海拔 为多年生人工管理种质资源圃土壤类型为中厚层红黄壤榕江()样地黔东南苗族侗族自治州榕江县古州镇(.、.)海拔 为野生样地土壤类型为中厚层红黄壤为主富含有机质福泉()样地 黔 南 布 依 族 苗

8、 族 自 治 州 福 泉 市 金 山 街 道(.、.)海拔 为野生样地土壤类型以石灰石为主富含 福泉有“亚洲磷都”之美誉 个样地分别代表不同栽培生境、不同土壤类型和不同酸碱度代表了贵州黑老虎生长的主要生境于果实采收季节分别在 个样地选取生长多年、藤蔓高度木质化的健康植株用铲子去除地表植被和杂质使用小锄头轻轻刨开土壤寻找主根周边的细根(直径)挖取少量带土的细根(.)每 株样品合并为 个生物学重复每个样本设置 个生物学重复将样品收集至无菌采样袋中并密封保存迅速置于冷链箱内于 内带回实验室处理将黑老虎根部的土壤抖落留存附着在根部无 法 抖 落 的 为 根 际 土()(.)将根系样品转移至无菌 离心管

9、中(含 无菌 溶液)置于摇床(苏州培英实验设备有限公司培英型号:)室温下振荡(.)使用无菌镊子挑除根系剩余悬浮液高速离心()沉淀即为根际土样品液氮速冻后置于 冰箱备用 剩余的根系样品()用自来水冲去表面多余的根际土进行表面消毒(乙醇浸泡 次氯酸处理 无菌水清洗 次)获得表面消毒的根组织样品液氮速冻后置于 冰箱用于 提取.土壤理化指标测定土壤 值测定:称取 土壤样品于 烧杯中加入.去除 的蒸馏水(水土比.)用水平振荡器剧烈振荡 使土粒充分分散后放置 后用 计测定 内完成测定每个样品测定 次计算平均值 土壤总氮()采用半微量凯氏定氮法总磷()采用 碱熔钼锑抗分光光度法土壤总钾()测定采用 熔融法土

10、壤速效氮()的测定采用碱解扩散法土壤速效磷()的测定采用分光光度法土壤速效钾()的测定采用乙酸铵浸提法土壤有机质()的测定采用重铬酸钾容量法 每个样品重复 次.提取及高通量测序根系样品 提取采用植物基因组 提取试剂盒(货号:天根生化科技有限公司北京)根际土壤样品 提取采用土壤 提取试剂盒(货号:天根生化科技有限公广 西 植 物 卷司北京)引物:()和()反应体系():.正、反向引物()各.().反应条件:/(/)个循环 /产物经 琼 脂 糖 凝 胶 电 泳 确 证 用 ()纯化()定量 扩增子文库的大小 和 数 量 分 别 用 生 物 分 析 仪()和 ()文库定量试剂盒进行评估 高通量测序委

11、托杭州联川生物技术有限公司完成所用平台为高通量二代测序仪()测序原始数据已提交至 数据库(项 目 号 为 样 品 编 号 为).数据处理及分析高通量测序获得的下机数据根据 拆分后去除 和接头序列并进行质控、过滤得到 使用(.)软件对 进行拼接合并获得原始 用 筛选 的序列 利用(.)去除嵌合体获得最终有效数据用于进一步分析 样本的 多样性指数采用(:/./)软件计算 应用 软 件(.:/./)对有效数据序列在 的相似度下进行()聚 类 采 用 进行 物种注释分析获得样品 的分类学信息 韦恩图、分析、分析等利 用 联 川 云 平 台(:/./)进行 利用 软件对真菌进行功能预测分析(.)采用 对

12、土壤理化性质进行显著性差异分析结果与分析.个样地黑老虎根际土壤理化特性由表 可知 个不同生境下黑老虎根际土壤的理化指标存在显著差异野生生境土壤主要养分指标高于栽培生境 个生境中贵阳栽培生表 个样地黑老虎根际土壤理化特性 理化指标 贵阳榕江福泉酸碱度.总氮().总磷().总钾().速效氮().速效钾().速效磷().有机质().注:不同小写字母表示在.水平上存在显著差异:(.).境(.)和 榕 江 野 生 生 境(.)下的根际土壤为酸性(个)(个)共有的 为 个 共有的 共注释到 个门绝大多数为子囊菌门(个占比.)共注释到 个属占比前几位的有未分类属(个.)、被孢霉属(个.)外瓶柄霉属、柱孢属、

13、丛赤壳属和隐球菌属均为 个各占比.根部内生真菌中各地区 数从多到少依次为()()()共有的 为 个 个共有的 共注释到 个门子囊菌门有 个占比.共注释到 个属占比最高的为外瓶柄霉属(个.)其余属均为 个各占比.根际土壤真菌和内生真菌所有样品共有的 仅为 个注释到 个门子囊菌门为 个占比.注释到 个属占比最高的为外瓶霉属(个.)其余分别为被孢霉属、柱孢属和丛赤壳属(图)图 结果显示 个样地样品中真菌 数量均为根际土壤根内野生样地 多样性较高 共有的 中被孢霉属、外瓶柄霉属、柱孢属和丛赤壳属最为常见.黑老虎根际土壤真菌和根部内生真菌多样性 多样性分析表明 种生境下根际土壤的真菌群落多样性和丰富度均

14、显著高于根部内生真菌 个 样 地 根 际 土 壤 真 菌 中 香 农 指 数()和辛普森指数()无显著差异 中 指数和 指数显著高于 和 个样地根部内生真菌中 香农指数显著高于 和 辛普森指数显著低于 和 而 的 指数和 指数显著低于 与 无显著差异(表)这说明了 个生境根际土壤真菌多样性和优势度无显著差异 的根际真菌群落丰度高于其余两地 个样地根部内生真菌中 的真菌群落多样性显著高于其他两地 栽培生境的真菌优势度显著低于两个野生生境(和)通过无权重距 离 矩 阵()算法对 个样地样品进行主坐标分析()分析结果显示主坐标 和主坐标 分别解释了.和.的多样性合计解释了.的多样性 个生境下的根部内

15、生真菌群落聚集于第二、第三象限根际土壤真菌群落聚集于第一、第四象限显示 个不同生境中根际土壤真菌更为相似而根部内生真菌群落更为相似(图)结果表明黑老虎根部内生真菌受地域影响较 小 具 有 明 显 的 种 属 特 异 性 另 外 从 结果可以看出同一类样本的 个生物重复均能很好地聚在一起说明本研究所采用的样本重复性好数据可靠性高.黑老虎根际土壤和根部内生真菌组成和结构 个生境下共 个黑老虎根际土壤和根样品中共检测到了真菌 个门依次为(个)、(个)和(个)个样地相差不大 个样地 组 样 品 中 真 菌 优 势 类 群 均 为 子 囊 菌 门()和担子菌门()其中子囊菌门占比最高 占比范围.在栽 培

16、 生 境()的 根 内()占 比 高 达.而在栽培生境的根际土壤()中占比最 低(.)和 中 存 在.和.的未分类真菌(图:)在属水平上共注释到 个属 个生境中注释到的真菌属依次为()()()个生境下优势属的结构和丰度存在明显差异根部内生真菌中栽培生境()下外瓶霉属(.)优势明显其他属占比均不超过 个野生生境下 的优势菌群为(.)、黄 丝 菌 属(.)和 (.)的优势菌群为蜡壳耳目未分类属(.)、外瓶霉属(.)和球囊菌门未分类属(.)个样地的根际土壤真菌被孢霉属()占比均最高分别为.()、.()和.()此外 优势菌群还有癣囊腔 菌 属(.)和 外 瓶 霉属(.)中优势菌群为新丛赤壳属广 西 植

17、 物 卷图 黑老虎根际土壤和根部内生真菌的 稀释曲线.()()(.)中优势菌群为癣囊腔菌属(.)和柱孢属(.)(图:)结果显示栽培生境下根部内生真菌菌群具有一定的偏好性部分菌群具有优越性而野生生境下菌群均匀度更高以相对丰度 的属制作的热图显示 个生境下根部内生真菌和根际真菌群落均存在显著差异其中根际土壤真 菌 群 落 聚 为 一 类与 聚类图结果一致表明黑老虎根际土壤真菌群落结构受生境影响较小黑老虎根部内生真菌群落具有一定的物种特异性(图).黑老虎根际土壤真菌及根部内生真菌群落功能预测利用 软件对黑老虎根际土壤及根部内生真菌进行功能预测结果显示真菌 个营养类型在 个生境的根际土壤和根组织中分布

18、不均其中病理腐生营养型和腐生营养型两个类型为优势菌群 个样地的根际土壤样本中腐生共生营养型占比相当高 而在根部内生真菌中占图 黑老虎不同生境真菌群落 分布韦恩图.比较低 与内生真菌相比根际真菌中不同营养类型真菌菌群的分布更为均匀 根部内生真菌中栽培生境下()病理腐生营养型占比较高 的腐生营养型占比较高 的共生营养型占比较高(图:)个生境下 组样本预测得到 个生态共位群()不同生态共位群在 个生境下的根际土壤真菌分布更为相似 群落中动物病原真菌寄生虫未定义腐生营养型占比较高而 中未定义腐生营养型占比较高 中动物病原真菌寄生虫未定义腐生营养型和丛枝菌根占比较高(图:).黑老虎根际土壤真菌群落结构与

19、土壤环境因子相关性利用土壤理化因子与根部内生真菌和根际真菌群落多样性指数分别做 相关性分析 期刘涛等:不同生境黑老虎根际和内生真菌多样性分析图 不同生境下黑老虎根际和体内真菌群落的主坐标分析.根部内生真菌中 与根部内生真菌香农指数和辛普森指数正相关 与香农指数正相关(.)但未达极显著水平(图:)根际土壤真菌中土壤、和 与根际土壤真菌 指数和 指数呈极显著(.)正相关(图:)这说明土壤环境因子对黑老虎内生真菌和根际土壤真菌群落结构的影响不同 和 主要影响内生真菌群落的多样性而、和 主要影响根际土壤真菌群落的丰度对根际土壤真菌群落结构的影响大于内生真菌为探究土壤理化因子与根际真菌群落结构的相关性通

20、过冗余分析()分别研究了土壤理化因子与根际真菌与门水平和丰度排序前 的属之间的相互关系(图)在门水平上第一、第二排序轴累计解释率分别为.和.累计解释率为.能较好地表 黑老虎根际土壤和根内真菌群落多样性指数分析 样品香农指数 辛普森指数 指数 指数 覆盖度()贵阳根.贵阳根际土.榕江根.榕江根际土.福泉根.福泉根际土.注:不同小写字母表示显著差异(.):(.).反映黑老虎土壤理化因子与根际真菌门水平的相互 关 系、和 与 担 子 菌 门()和接合菌门()呈现较强的正相关 在属水平上第一、第二排序轴累计解释率分别为.和.累计解释率为.能较好地反映黑老虎根际真菌群落与土壤理化因子之间的相互关系、和

21、与新丛枝壳属、黄丝菌属、被孢霉属等箭头方向一致呈现较强的正相关与真菌未分类()、外瓶霉属、肉座菌属()等箭头方向 相 反 呈 现 明 显 的 负 相 关 综 上 表 明、和 对黑老虎根际土壤真菌群落丰度影响较大是影响黑老虎根际土壤真菌结构的主要因素讨论与结论本研究利用高通量测序技术研究了不同生境下黑老虎根内生真菌及根际土壤真菌群落组成和多样性 个样地根际土壤和根部内生真菌共有的广 西 植 物 卷.门水平.属水平.图 不同生境下黑老虎真菌群落物种组成差异.期刘涛等:不同生境黑老虎根际和内生真菌多样性分析图 不同生境下黑老虎根际和根部内生真菌属水平的相对丰度热图.分别为 个和 个根际土壤真菌和内生

22、真菌所有样品共有的 仅为 个各地特有的 有较大差异 这表明根际土壤真菌具有一定的地域专化性和宿主专一性与其他物种结果相类似(周婕等)个样地中黑老虎根际土壤真菌的 数量和多样性均显著高于根部内生真菌土壤中含有微生物所需的食物来源和生长环境 是 地 球 上 微 生 物 含 量 最 为 丰 富 的 区 域(.)与重楼(王艳等)、黄精(樊锐锋等)、川穹(张秫华等)等研究结果一致 此外 个样地根际土壤真菌多样性(香农指数和辛普森指数)无显著差异原因可能广 西 植 物 卷.营养型分类.共位群详细分类.图 黑老虎根际土壤和根部内生真菌的功能预测分析.为 个样地均在贵州省内地理位置、大气候和生态环境具有一定的

23、相似性 但是 个样地根际土壤真菌的丰富度(指数和 指数)存在显著差异其中 根际土壤真菌丰富度显著高于 和 等()研究表明植物根系及其分泌物、动植物残体和 是土壤真菌可利用的主要能源榕江土壤丰富的有机质为真菌群落的繁殖提供了丰富的养分可能是榕江根际土壤真菌丰富度高于另外两地的原因 个样地根部内生真菌中 的真菌群落多样性显著高于其他两地 栽培生境的真菌优势度显著低于两个野生生境(和)可能是 期刘涛等:不同生境黑老虎根际和内生真菌多样性分析 表示极显著差异(.)表示显著差异(.)(.)(.).图 土壤环境因子与黑老虎根部内生真菌()和土壤根际土壤真菌()群落多样性指数的皮尔森相关性分析.()().门

24、水平.属水平.图 黑老虎根际土壤真菌与土壤环境因子 分析.广 西 植 物 卷因为野生生境受人工干预栽培生境的植被、土壤结构和营养元素趋于不均衡导致栽培生境下黑老虎根内生真菌的多样性偏低本研究发现子囊菌门和担子菌门是黑老虎根际和根部内生真菌的优势类群子囊菌门大都为陆生可分解土壤中动植物腐烂的遗骸和有机质释放有机物供植物吸收利用其含量的高低与土壤肥力有关 担子菌门常与植物形成共生菌根促进植物的生长和发育(.)本研究结果与五味子属(江林春等)及其他中药材如重楼(王艳等)、黄精(樊锐锋等)、川穹(张秫华等)等一致 在属水平上根部内生真菌中、和 的优势 菌 属 分 别 为 外 瓶 霉 属(.)、(.)和

25、蜡壳耳目未分类属(.)、外瓶霉属(.)外瓶霉属在栽培生境()的根中丰度较高(.)其原因可能为外瓶霉属有在土壤、水和空气等不同生态系统中有着广泛的分布多为人、畜和水产鱼类等的真菌病害在植物中有耐重金属特性的报道(王璐)栽培生境下长期施用化肥农药受到人类活动干扰较多外瓶霉属上升为优势菌群根际土壤真菌中 个样地的优势菌属均含被孢霉属而其他优势菌群各不相同 被孢霉属为土壤碳及养分转化的关键成员在植物生长发育、代谢中均发挥关键作用(宁琪等)在属水平上对不同生境下根际土壤和根部内生真菌的 多样性分析显示不同生境下黑老虎根际土壤和根部内生真菌群落的丰度和多样性存在显著差异 功能预测结果显示 个营养类型在 组

26、样本中分布不均栽培生境下()病理腐生营养型及动物病原真菌寄生虫未定义腐生营养型真菌在黑老虎根内生菌中比例最高推测可能是由于在栽培生境下由于生态平衡遭到破坏造成植株体内病原菌和寄生虫等侵害机会增加病原菌潜伏或以条件性致病方式寄生于植物根内是导致栽培生境下植物更容易发生病害的原因之一(.)王艳等()发现野生生境下的重楼内生真菌和土壤真菌菌群丰度和多样性显著高于园区环境与本研究结果较为一致植物根际土壤和根内真菌在植物生长发育、低于逆境和维持土壤微生态环境中发挥重要作用其结构和组成受土壤环境因子如湿度、值、等理化因素的影响(.)本研究结果显示 个不同生境下黑老虎根际土壤的理化指标存在明显差异野生生境下

27、的土壤营养元素和有机质含量高于栽培生境说明栽培生境下 要注意合理施用营养元素和有机肥确保植物生长的需要和土壤生态环境平衡同时本研究结果也为后续的人工苗圃管理提供了重要信息 土壤理化因子与根部内生真菌多样性相关分析显示土壤 和 与根部内生真菌香农指数相关显著表明 和 主要影响根部内生真菌的多样性对丰度和优势度影响不明显根际土壤真菌中土壤、和 与根际土壤真菌 和 指数极显著相关 这表明土壤环境因子对根际土壤真菌群落结构影响大于根部内生真菌且主要影响根部内生真菌的多样性而对根际土壤真菌的影响主要为丰度 李铭杰等()发现土壤、与北苍术根区土壤丛枝菌根真菌 指数、指数呈正相关其中 对丛枝菌根真菌群落多样

28、性影响最大 杨蕊毓等()研究发现川麦冬根围土壤丛枝菌根多样性指数及群落组成与土壤理化因子、相关性显著 金辉等()对紫花针茅根际土壤和内生真菌研究分析发现土壤理化因子、和 与 指数、指数和 指数等真菌多样性指数显著相关(.)或极显著相关(.)与本研究结果具有部分相似性 是植物生长发育所需的大量元素植物通过根系分泌物和物生物互作形成植物土壤的氮素化学循环因此 与土壤微生物群落和根内生菌均发生交互作用(.)有机质含量影响土壤真菌的群落结构主要由于 在微生物和酶的作用下发生分解同时为土壤微生物提供丰富的养分来促进了土壤真菌的生长(隋跃宇等 .)土壤、和 是影响黑老虎根际土壤真菌结构的主要因素 分析结果

29、显示被孢霉属与、和 呈现较强的正相关 被孢霉属是接合菌亚门接合菌纲毛霉目被孢霉科能显著提高土壤可溶性有机碳、和 的含量(宁琪等)本研究结果表明多施有机肥、氮肥和钾肥可以改善土壤微生物菌群结构促进黑老虎生 期刘涛等:不同生境黑老虎根际和内生真菌多样性分析长发育 本研究为今后黑老虎根内有益真菌的分离与鉴定提供了重要信息同时也为黑老虎的引种驯化和生态栽培提供了理论依据参考文献:.():.:.:.():.:.():.():.():.樊锐锋 王若凡 杜艳秋 等.黄精根际及药用部位内生真菌群落组成和生态功能分析.广西植物():.:.():.():.高渐飞 周玮 刘妮.黑老虎不同部位酚酸类成分差异分析.中药

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