施秉白云岩喀斯特地区苔藓退化后土壤微生物群系变化分析

摘要

为探索白云岩喀斯特地区地表苔藓退化与土壤微生物群落结构之间的关系，比较苔藓覆盖和地表完全裸露的两个小生境下土壤微生物群系差异。探究其中土壤性质对差异微生物群落的影响；进一步分析差异菌属间的相互关系；以期为白云岩喀斯特地区地表苔藓退化对土壤微生物群落影响提供新的数据信息。本研究对施秉云台山地区苔藓覆盖和地表完全裸露的两个小生境土壤微生物16S rRNA V3-V4区和ITS1区进行高通量测序，比较分析两小生境土壤微生物群落多样性及组成差异；分析土壤微生物群落与土壤性质之间关系；进一步基于Spearman相关系数分析差异菌属间的相互关系。 研究结果发现，两个小生境下，微生物群落结构显著差异，且随着苔藓退化，细菌α-多样性显著下降。施秉白云岩喀斯特土壤微生物分布于43个细菌门和7个真菌门。细菌优势菌门为变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）和酸杆菌门（Acidobacteria），它们占整个细菌菌群的60%以上。真菌主要分布于接合菌门（Zygomycota）、担子菌门（Basidiomycota）和子囊菌门（Ascomycota），且占整个真菌菌群的97%以上。两个小生境下，注释出378个属的细菌和594个属的真菌，其中65个细菌属和40个真菌属的相对丰度发生显著变化。土壤交换性镁（EMg）、铵态氮（NH4-N）、硫酸根（SO42-）是对土壤微生物群落差异影响最大的环境因子。NH4-N、SO42-与分支杆菌属（Mycobacterium）、Marmoricola、Gaiella等13个关键细菌菌群负相关，而EMg却与它们正相关；NH4-N与枝鼻菌属（Cladorrhinum）、Purpureocillium等12个真菌菌群正相关，EMg却与它们负相关；SO42-与Asterostroma、Chaetospermum等9个真菌菌群正相关。网络分析表明：苔藓退化后，除Spizellomyces外的7个真菌菌群均与细菌菌群相互作用；Roseiflexus、Gaiella、Euzebya、Candidatus_Nitrososphaera、棒孢属（Corynespora）以及芽球菌属（Blastococcus）等核心菌属相互作用，调控和苔藓退化显著有关的微生物群落变化，为苔藓退化提供重要的微生物信息。 认为施秉白云岩喀斯特地区苔藓退化造成土壤微生物群落组成显著变化，且导致细菌群落的丰富度及均匀性显著下降。同时，在这一退化过程中，土壤性质（EMg、NH4-N、SO42-）对微生物群落结构的变化具有十分重要的作用。进一步网络分析揭示在苔藓退化过程中，真菌与细菌群落之间互利、竞争的适应环境的变化。

目录

第一章 绪论

1.1 土壤微生物概述

1.2 宏基因组学概述

1.3 喀斯特生态系统概述

1.4 南方喀斯特土壤研究现状

1.5 施秉白云岩喀斯特概述

1.5.1 施秉白云岩喀斯特生态系统概述

1.5.2 施秉白云岩喀斯特土壤微生物概述

1.6 本课题的研究目的和意义

1.6.1 立题依据及存在的科学问题

1.6.2 主要研究内容

第二章 材料与方法

2.1 样本采集

2.2 主要器材和试剂

2.3 技术路线

2.4 理化指标的测定

2.5 宏基因组DNA的提取和检测

2.6 PCR扩增及Illumina Miseq测序

2.7 高通量测序的生物信息学分析

2.7.1 测序下机数据预处理

2.7.2 操作分类单元（OTU）及其分类注释

2.7.3稀释曲线（Rarefaction curve）

2.7.4 微生物群落多样性

2.7.5 微生物群落结构分析

2.7.6冗余分析（redundancy analysis, RDA）

2.7.7 随机森林预测生物标记

2.7.8 “Spearman”相关性分析

2.7.9 网络分析

第三章 结果与分析

3.1 基因组总DNA

3.2 稀释曲线分析

3.3 微生物群落α-多样性的差异分析

3.3.1 比较细菌群落的α-多样性

3.3.2 比较真菌群落的α-多样性

3.4 土壤微生物群落组成β-多样性分析

3.5 土壤微生物群落结构

3.5.1 显著变化的微生物群落

3.5.2 基于门水平的微生物群落结构

3.5.3 两个小生境微生物差异菌属

3.6 土壤微生物群落与土壤性质的关系

3.6.1 最佳环境因子组合分析

3.6.2 细菌群落与土壤性质的关系

3.6.3 真菌群落与土壤性质的关系

3.7 关键菌属与环境因子的相关性分析

3.7.1 随机森林算法筛选关键菌属

3.7.2 微生物关键菌属与最佳环境因子的相关性

3.8 两生境下差异微生物共变化网络分析

3.9 本章小结

第四章 讨论与展望

4.1 苔藓类植被退化对土壤微生物群落的影响

4.1.1 苔藓类植被退化对土壤细菌群落的影响

4.1.2 苔藓类植被退化对土壤真菌群落的影响

4.2 土壤环境因子对微生物群落的变化存在影响

4.3 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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