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根际土壤微生物群落和酶活性沿海拔梯度的变化规律

日期: 2022-02-15
标签:

一、文章基本信息

原名Contrasting patterns of microbial community and enzyme activity between rhizosphere and bulk soil along an elevation gradient

译名:土壤微生物群落和酶活性沿海拔梯度的变化规律

作者Chengjie Ren,et al.

期刊:Catena

影响因子:5.198

发表时间:2021.


二、文献阅读内容

1 关键词

海拔梯度;土壤微生物多样性和酶;外生菌根真菌和腐养真菌;根际效应;气候变化。

2 研究主题和背景

(1)背景:土壤系统中微生物群落和酶活性沿海拔梯度的分布规律已引起广泛关注;然而,根际土壤微生物多样性和酶活性的差异及其驱动因素尚不清楚。

(2)主题:本研究覆盖六个海拔水平梯度,范围从海拔1308米到2600米。利用Illumina MiSeq对16S rRNA基因和ITS-1基因进行测序,分析根际和非根际土壤中细菌、真菌总量、外生菌根真菌(EcM)和腐养真菌群落;同时分析了土壤胞外酶活性。

3 科学问题或科学假说

(1)科学问题:沿海拔梯度下根际/非根际微生物群落结构和酶活性分布规律及其驱动因素?

(2)科学假说

由于根际与非根际之间土壤理化性质的差异,如SOC, 是导致根际/非根际土壤微生物多样性和酶活性显著差异的重要因素,但随海拔升高而减小,而海拔梯度下植物特征和气候因素变化对其影响极小。

4 以往研究及研究现状

在一些研究中已经使用了海拔实验来检验气候变化对土壤微生物的影响,这些实验表明,微生物多样性和酶活性表现出不一致的模式,即随海拔变化单调减少,驼背或无。这是因为环境条件会随着海拔的变化而变化,从而为微生物创造了复杂的条件,虽然有一些研究报道了微生物群落的海拔分布,但大多数研究考虑的是全土,很少有研究考虑根际,特别是根际土壤和整体土壤在海拔梯度上的差异不太明确,根际土壤的养分转化率一般高于非根际土壤。

5 材料与方法

A.样地与土壤样品采集与保存:该实验于2018年7月进行采样,6个海拔高度覆盖3种植被类型。1308m、1603m-QVA;1915m、2292m-QW;2406m、2600m-BA,这三种共生树种通常与外生菌根真菌(EcM)有关,外生菌根真菌在这些森林的土壤微生物群落中占主导地位。每个海拔梯度取三个重复。为了进行原位植物群落描述,在每个站点随机选择3个10 × 10 m象限、5个5 × 5 m象限和10个1 × 1 m象限,分别测定乔木、灌木和草本植物的丰富度和Shannon多样性,同时采取根际很非根际土壤。

B. 植物特性及土壤理化性质分析

通过磨细测定树叶和树根中的碳、氮、磷含量;土壤pH;TC、TN、TP;MBC、MBN、MBP;硝态氮、氨态氮;土壤容重:在105°C烘箱烘干24小时后和之前的岩心重量测定,并根据单个岩心体积进行校正。

C. 土壤酶活性分析

测定土壤酶活:BG、NAG+LAP、AP分别为C、N、P获取酶。

D. 土壤DNA提取,PCR扩增,Illumina MiSeq测序

使用FastDNA旋转试剂盒从新鲜土壤中提取DNA (MP Biomedicals,美国克利夫兰)。通过分光光度计(NanoDrop2000, Thermo Scientific,美国威尔明顿,德)。提取的土壤DNA在−80℃保存至PCR扩增和分析。序列使用QIIME进行。

E.数据分析

PLS-PM揭示沿海拔梯度下哪些环境变量对微生物多样性和酶活性的影响更大;采用冗余分析(RDA)方法分析了土壤微生物与气候、植物性质、土壤性质等环境变量的关系;采用单因素方差分析(ANOVA)分析了海拔梯度对气候因子、植物性状、土壤性状、土壤微生物生物量、微生物多样性、优势菌门和酶活性的影响。

6 结果

(1) 土壤特性和植物特性。气候变量(气候因子和植物-土壤性质)沿海拔梯度的变化;沿海拔梯度优势树种的变化由QVA-QW-BA,丰富度和Shannon多样性随海拔升高先增加后降低。叶片和根系养分水平(C、N和P)最高的是在1915m,除了根C,最高在2292m,土壤性质表现出相似的趋势;MBC、MBN、MBP、TN、SOC和NH4+在1915 m处最高。

(2)图1、图2:根际土壤与土壤微生物群落的差异。根际和非根际土壤中微生物多样性随海拔升高呈驼背曲线变化。根际土壤微生物群落多样性差异(除腐养群落多样性外)随海拔升高显著减小。根际和非根际细菌多样性存在显著性差异。

根际土壤微生物群落和酶活性沿海拔梯度的变化规律

根际土壤微生物群落和酶活性沿海拔梯度的变化规律

根际土壤微生物群落和酶活性沿海拔梯度的变化规律

根际土壤微生物群落和酶活性沿海拔梯度的变化规律

(3)根际土壤与非根际土壤酶活性的差异。海拔高度显著影响土壤酶活性。其中,C -获取酶(BG)、N-获取酶(NAG + LAP)和P-获取酶(AP)活性均随海拔升高而显著降低,且根际土壤的活性显著高于非根际土壤。与微生物多样性响应一致,C、N、P获取酶的活性在根际和非根际土壤中的差异随着海拔的增加显著的降低。

根际土壤微生物群落和酶活性沿海拔梯度的变化规律

(4)根际和非根际土壤微生物群落和酶活性差异的影响因素。结果显示微生物多样性分别解释了90.1%、62.4%、82.3%的根际、非根际以及差异的变异方差。此外,除对气候因子的响应外,根土壤微生物多样性(通径系数= 0.786)主要受植物特性的直接影响,而非根际土壤微生物多样性则受植物特性的直接影响。结果表明,不同海拔梯度对根际土壤酶活性变化的贡献率分别为96.3、95.2和91.2%。RDA和Pearson相关性分析表明,根际土壤和非根际土壤中的微生物细菌和真菌类群对环境因子的响应不同。其中,气候因子(MAT和MAP)、BD、pH、TP和NH4+对根际土壤和非根际土壤细菌和真菌类群变异的解释作用更大。

根际土壤微生物群落和酶活性沿海拔梯度的变化规律

根际土壤微生物群落和酶活性沿海拔梯度的变化规律

7 讨论

(1)根际土壤微生物群落多样性随海拔升高而显著变化,根际与非根际土壤微生物群落多样性的差异随海拔升高而显著减小,验证第一个假设。 空间属性、气候因素、植物群落和其他生物和非生物变量可能解释了土壤微生物多样性的动态变化,以及根际效应对微生物多样性的重要性。此外,根际土壤微生物多样性高于非根际土壤,主要是由于植物根系分泌物释放的养分流向周围土壤,较高的温度会加速养分释放。因此,海拔依赖性的土壤温度下降可以导致较低的养分波动。

(2)随着海拔梯度的增加,BG, NAG,LAP和酸性磷酸酶(AP)活性均显著降低。与巴塔哥尼亚南部土壤酶活性对海拔梯度没有显著响应的研究不一致,土壤酶是由微生物响应环境信号而表达并释放到环境中的,这种差异可能是由于不同样带样点,植被类型也不同造成的。也有一些研究表示,海拔依赖性的土壤微生物组成变化导致土壤酶活性的不同响应;此外,土壤酶活性也可能取决于海拔梯度上的复杂条件,如土壤温度、水分和土壤养分有效性等。此外,根际和非根际土壤的酶活在高海拔梯度非常相似,说明高海拔,环境越恶劣,根-土系统中养分获取酶的相似性越高。与以往研究一致,高海拔低土壤温度可以创造相对稳定的生境,导致微生物代谢活性较低,导致根际土壤和整体土壤在海拔梯度上差异减小。

(3)根际和非根际土壤中微生物群落和酶活性的差异与环境条件有关。气候因子对微生物群落的形成起着至关重要的作用,低温和高海拔增加的生理胁迫会限制微生物的生长,最终降低微生物的多样性,

8 总结与思考

(1) 土壤细菌、真菌总量、EcM、腐养真菌群落多样性及土壤酶活性在海拔梯度上均发生显著变化,根际和非根际土壤间的差异随海拔升高而显著减小。

(2) 土壤微生物多样性和酶活性的差异主要取决于气候因素,表明气候是影响根际和非根际土壤微生物多样性和酶活性差异的最重要的生态因子。除了气候因子,土壤性质也影响根际和非根际土壤在海拔梯度上的微生物多样性和酶活,证实土壤养分水平可以解释微生物多样性和酶活性沿海拔梯度的差异。

(3) 综上,研究结果强调了以海拔引起的微生物多样性和酶活的变化为代表的根际效应的重要性,并预测气候变化的潜在结果。

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