干湿交替及氯仿熏蒸对土壤微生物多样性的影响研究

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干湿交替是自然界普遍存在的现象,但长期以来由于技术的限制,复杂土壤中微生物对水分变化的响应规律仍不清楚。针对我国江苏常熟湖泊底泥发育的典型水稻土,在室内开展湿润-风干以及风干-湿润各三次循环,每次循环中湿润、风干状态各维持7天,利用微生物核糖体rRNA的通用引物进行PCR扩增,通过高通量测序分析土壤微生物多样性变化,同时结合实时荧光定量PCR技术,在DNA和RNA水平研究细菌和古菌数量对干湿交替过程的响应规律。结果表明,水稻土湿润-风干过程中,在DNA水平土壤细菌和古菌数量降幅分别为300~771倍和149~468倍,而在RNA水平降幅最高分别仅为5.60倍和2.06倍;水稻土风干-湿润过程中,在DNA水平细菌和古菌数量增幅分别在224~754倍和147~360倍之间,而在RNA水平的增幅最高分别仅为4.96倍和2.95倍。该发现表明,在干湿交替过程中,细菌16S rRNA基因数量变化要略高于古菌;同时,DNA水平的细菌和古菌16S rRNA基因数量变化远高于RNA水平。基于高通量测序多样性的结果表明,在DNA和RNA水平,湿润土壤3次风干、以及风干土壤3次加水湿润7天恢复后,土壤细菌和古菌群落结构均发生统计显著性改变。在微生物门、纲、目、科和属的不同分类水平下,水稻土细菌主要包括26,56,120,128,71不同的类群,古菌主要包括3,10,13,14,10种不同的类群,在RNA和DNA水平的结果基本一致,干湿交替导致部分细菌和古菌类群发生显著变化,其中在微生物分类学门水平发生显著变化的细菌主要包括变形菌门(Proteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)、芽单胞菌门(Gemmatimonadete)、浮霉菌门(Planctomycetes)和厚壁菌门(Firmicutes)。微生物分类学目水平发生显著变化的古菌最高达到6种,主要包括产甲烷古菌和氨氧化古菌,如Methanobacteriales,Methanosarcinales,Methanomicrobiales和Nitrososphaerales等。这些研究结果表明,由于环境中游离的RNA降解较快,而土壤中游离的胞外DNA可保留较长时间,因此,细菌和古菌RNA序列极可能来自于完整的微生物细胞,并且这些细胞能够较好地适应水稻土中水分的剧烈变化;由于风干以及加水湿润过程对细菌和古菌丰度以及组成均有一定程度的影响,在DNA和RNA水平同时开展研究能够更加全面反映土壤古菌对干湿交替的适应规律。  氯仿熏蒸浸提法作为一种最为常用的测定土壤生物量碳的方法,其测定的土壤微生物量碳的来源以及土壤微生物群落对氯仿熏蒸的响应规律值得研究。针对黑土、潮土、红壤三种不同类型旱地土壤,氯仿熏蒸培养24 h样品与未熏蒸土壤样品同时利用磷酸钠缓冲液3次震荡离心去除游离核酸后进行比较,通过高通量测序分析土壤微生物多样性变化,同时结合实时荧光定量PCR技术,在DNA和RNA水平研究微生物数量对氯仿熏蒸过程的响应规律。结果表明,磷酸钠缓冲液在一定程度上去除了土壤中游离DNA和RNA;氯仿熏蒸后土壤样品与未熏蒸土壤样品比较发现微生物数量显著减少。高通量测序结果表明,在微生物分类门、纲、目、科和属各水平均有微生物类群发生显著改变,但总体微生物群落组成保持不变,对土壤微生物群落结构影响不大(P<0.05)。氯仿熏蒸后,在RNA水平部分微生物丰度的变化程度要明显高于DNA水平,表明氯仿熏蒸不仅影响微生物种群现状,还可能对其潜在活性有一定影响。同时,氯仿熏蒸测定土壤微生物生物量碳的来源主要是对氯仿耐受性较差的微生物类群,如Proteobacteria。
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