浑善达克沙地生物土壤结皮细菌多样性和群落结构研究

摘要

生物土壤结皮（Biological Soil Crusts，BSCs）是干旱、半干旱地区最重要的景观之一，在荒漠生态系统的稳定、修复和重建中举足轻重。微生物是 BSCs的主要生物组分，其多样性和群落结构是认识微生物驱动 BSCs形成和发展的生态功能的基础。但目前 BSCs中细菌，特别是一些功能菌的多样性和群落结构相关研究还较少，尚需通过广泛和大量的相关研究来为揭示一些细菌类群对 BSCs的作用提供依据。
　　本研究采集了浑善达克沙地（多伦姑娘湖附近）三种类型的BSCs（藻类结皮、地衣结皮和苔藓结皮）及其下层土壤，利用高通量Miseq平台比较分析了细菌、不产氧光营养细菌（anoxygenic phototrophic bacteria, APB）和固氮菌的多样性及群落结构，并与土壤理化性质进行相关性分析；同时利用 ECO板进行了土壤代谢功能分析。主要结果和结论如下：
　　（1）土壤理化性质：无论是藻类、地衣，还是苔藓结皮，它们结皮层的含水量（WC）、有机质（OM）、速效磷（AP）、速效氮（AN）含量均大于结皮下层土壤， pH值方面则是结皮层略小于结皮下层土壤。
　　（2）土壤代谢功能：三种类型的BSCs结皮层的碳源利用能力都要高于结皮下层土壤，且培养0-24 h间为适应期，每个样本利用碳源的能力基本相似、都在很低的水平；24-108 h间样本利用碳源能力都在迅速上升，108-156 h间样本利用碳源水平趋于平缓，156 h后开始出现降低；所有样本都无法利用2-羟苯甲酸。
　　（3）多样性分析：结皮层细菌多样性 Shannon指数均低于结皮下层，如藻类结皮层和下层的shannon指数分比为5.09和5.66，表明结皮层的微生物多样性要低于下层；藻类和苔藓结皮层的puf M多样性要高于下层，地衣结皮则相反；结皮层固氮基因nif H多样性存在苔藓结皮>地衣结皮>藻类结皮的规律。
　　（4）微生物群落结构：在细菌群落门水平上，所有结皮类型的结皮层和下层土壤都包括 Cyanobacteria（0.37％-29.22%）、Actinobacteria（22.12%-50.83%）、Proteobacteria（16.63%-27.82%）、Chloroflexi（3.92%-13.81%）、Acidobacteria（6.29%-16.43%）、Bacteroidetes（1.56%-5.45%）等10个门。其中，Cyanobacteria、Proteobacteria、Bacteroidetes三个门类均是结皮层含量高于下层含量；Actinobacteria、Chloroflexi、Gemmatimonadetes、Firmicutes四个门类是结皮下层含量高于上层含量；APB分属于 Proteobacteria（58.46%-94.43%）、Chloroflexi（0.02%-1.80%）、environmental-samples-norank（5.55%-41.10%）；其含量的高低排序也较为统一，变形菌门丰度超过58%；固氮菌除了Cyanobacteria和Proteobacteria两个门外，大多未能确认门类；
　　细菌在属水平上，总共有Rubrobacter、Microcoleus、Microvirga、Marmoricola、Actinoplanes、Blastocatella、Micromonosporaceae、Pseudonocardia等40余种；APB有Bradyrhizobium、Brevundimonas、Methylobacterium、Rhodospirillum、Roseiflexus、Sphingomonas、Unclassified-Gammaproteobacteria-(miscellaneous)-norank等7大类。固氮菌有Bradyrhizobium、Alicycliphilus、Nostoc、Cyanothece等属。
　　（5）微生物群落和环境因子的关系：有机质（Organic Matter, OM）、速效氮（Available Nitrogen, AN）、含水量（Water Content, WC）对于地衣结皮层和三类BSCs下层土壤细菌群落结构组成影响较大；速效磷（Available Phosphorus, AP）、AN因子对三类结皮层中APB群落结构影响较大。
　　综上，BSCs中细菌、光营养菌和固氮菌类群多样，尤其是结皮层，表明微生物中产氧光合细菌和不产氧光营养细菌以及固氮菌可能是BSCs形成和发展中起重要作用的生理类群。这为认识和理解功能群落对BSCs形成和发展的作用提供佐证，并为进一步开发利用BSCs的菌种资源和BSCs的人工构建奠定基础，具有重要的理论价值和实践意义。

目录

声明

1 引言

1.1 荒漠化的危害及其防治

1.2 生物土壤结皮

1.3 不产氧光营养细菌和固氮细菌

1.4 微生物多样性

1.5 高通量测序技术

1.6 本研究的目的及意义

2 材料与方法

2.1采样地点概述

2.2 材料

2.3 实验方法

3 结果与分析

3.1土壤理化性质

3.2 生物土壤结皮样本代谢功能分析比较

3.3 生物土壤结皮微生物多样性和群落结构分析

4 讨论

4.1 生物土壤结皮土壤理化性质

4.2 生物土壤结皮代谢功能

4.3 生物土壤结皮细菌多样性

4.4 生物土壤结皮不产氧光营养细菌多样性

4.5 生物土壤结皮固氮细菌多样性

5 结论

致谢

参考文献

作 者 简 介