大豆农田生态系统真核微生物群落的时空演替规律研究

摘要

植物的根际是连接植物根系与周围土壤的狭窄区域，包含大量的微生物。这些微生物能够影响植物的生长发育、健康状况和营养吸收等。高通量测序技术的发展促进了根际微生物群落的研究，然而，多数研究局限于根际的细菌群落，根际真核微生物的群落分布规律尚不清楚。本研究首先利用高通量测序技术对采自中国六个生态区大豆农田中的非根际土和根际土样本进行研究，分析了非根际土和根际土中真菌和原生生物群落的生物地理分布和生物多样性；然后，结合细菌群落的高通量数据，研究了非根际土和根际土中细菌、真菌和原生生物共发生模式的异同，以及三种类型微生物之间的相互作用关系；并对非根际土和根际土中丰富和稀有真核微生物的群落构建机制和生态地位进行研究；此外，探索了同一地点大豆不同生长时期农田非根际土和根际土中真核微生物群落演替规律。真菌和原生生物群落数据分别采用ITS1可变区和18S rRNA基因V9区的MeSeq高通量测序测得。具体结果如下： （1）根际土中真核微生物（真菌和原生生物）的群落结构明显区别于非根际土，具有更低的Alpha多样性。根际排斥的真核微生物OTU数大于富集的OTU数。非根际土和根际土的真菌群落中，Ascomycota在门水平上占据主导地位；在纲水平上，根际土中Dothideomycetes和Eurotiomycetes的相对丰度显著高于非根际土，而Agaricomycetes、Leotiomycetes和Sordariomycetes的相对丰度显著低于非根际土；在真菌的营养方式上，病原型真菌和病原—腐生型真菌在根际土的相对丰度显著高于非根际土，腐生型真菌、共生型真菌和腐生—共生型真菌在根际土的相对丰度显著低于非根际土。非根际土和根际土原生生物群落中，Rhizaria是相对丰度最高的高级分类群；根际土中Rhizaria的相对丰度显著高于非根际土，Apusozoa、Archaeplastida、Excavata、Hacrobia和Stramenopiles在根际土中的相对丰度显著低于非根际土；在原生生物营养方式上，食细菌型原生生物在根际土中的相对丰度显著高于非根际土，光养型原生生物与腐生型原生生物在根际土的相对丰度显著低于非根际土。 （2）非根际土和根际土中真菌群落相似度与地理距离呈现出显著的“距离—衰减”趋势，并且，“距离—衰减”趋势在根际土中的倾斜程度更大，表明历史进程（如地理分隔）对于根际土中真核微生物群落结构的影响更大。置换多元方差分析和主成分分析表明，采样地点是真核微生物群落结构差异最大的影响因素；取样部位对真菌和原生生物的群落结构差异均有显著影响；大豆品种对根际土中真菌的群落结构差异有显著的影响，对根际土中原生生物群落结构差异的影响不显著。典范对应分析和方差分解表明，地理因素、土壤因素和气候因素对非根际土和根际土中真核微生物群落构建的影响不同。 （3）根际土中微生物群落的共发生网络结构区别于非根际土，非根际土中微生物网络比根际土中更加庞大和复杂，根际土中正相关连接所占比例高于非根际土。微生物之间的相互作用关系主要发生在亲缘关系更近的物种之间。通过节点在网络中的拓扑特性确定了一系列关键物种，非根际土细菌网络中的关键物种能够确定到的属有Bryobacter、Massilia、Gemmatimonas、Acidibacter、Altererythrobacter和Reyranellaus；根际土细菌网络中的关键物种能够确定到的属有Nocardioides、Caenimonas、Methylibium、Reyranella、Ramlibacter、Solirubrobacter和Nonomuraea。非根际土真菌网络中的关键物种能够确定到的属有Mortierella和Fusarium；根际土真菌网络中的关键物种能够确定到的属有Paraphaeosphaeria、Mortierella和Microdochium。非根际土原生生物网络中的关键物种能够确定到的功能组有食细菌型原生生物和光能自养型原生生物，根际土原生生物网络中的关键物种能够确定到的功能组有杂食性原生生物和光能自养型原生生物。在整体网络中，关键微生物包含细菌、真菌和原生生物，表明三种类型微生物对非根际土和根际土的微生物网络结构均具有重要作用。此外，根际土中原生生物—细菌和原生生物—真菌负相关连接所占比例较非根际土均有所升高，推测根际土中发生更多的捕食关系。 （4）在非根际土和根际土中，丰富和稀有真核微生物具有不同的生物地理学分布模式。通过拟合Sloan中性模型，发现稀有类群比丰富类群受随机性过程的影响更大，受确定性过程的影响更小。共发生网络中，节点的重要性并不取决于其相对丰度的高低。丰富类群与稀有类群相比，其平均度和中介中心性指数均不存在显著差异。网络中关键微生物既包含丰富微生物也包含稀有微生物，表明丰富和稀有真核微生物对微生物网络的构建均起到重要作用。 （5）大豆农田非根际土和根际土中的真菌和原生生物群落都随着时间序列进行演替，根际土中的演替速率高于非根际土。分枝期之后，非根际土与根际土之间真核微生物群落结构的差异呈现升高的趋势，表明非根际土与根际土中真核微生物群落演替方向的差异，以及植物根系对真核微生物选择能力的增强。置换多元方差分析和主成分分析表明，取样部位对真核微生物群落结构差异的影响大于植物的生长时期。通过共发生网络分析表明，各个生长时期，根际土中真核微生物网络均区别于非根际土；同一部位在不同生长时期的真核微生物共发生网络存在差异，无论是非根际土还是根际土，规模最大的网络均出现在分枝期；相比非根际土，多数情况下，根际土的网络参数在植物的不同生长时期，波动幅度更大；不同生长时期、不同部位真核微生物共发生网络中关键物种的组成也不同。 本研究揭示了非根际土和根际土中真核微生物群落的地理分布和时间演替规律均存在差异，真核微生物在生态上的重要性不取决于其丰度的高低，稀有物种对非根际土和根际土中真核微生物群落的结构稳定性和生态功能也起到重要的作用。这些结果为根系相关微生物的研究提供了新的视角。

目录

论文说明

声明

第一章 文献综述

1.1 土壤中的真核微生物

1.1.1 土壤中的真菌

1.1.2 土壤中的原生生物

1.1.3 影响土壤中真核微生物多样性的因素

1.1.4 高通量测序技术在土壤真核微生物群落研究中的应用

1.2 根际微生物的研究概况

1.2.1 根际微生物的群落多样性

1.2.2 影响根际微生物群落多样性的因素

1.2.3 根际微生物与植物的相互作用

1.3.1 微生物生态学的测度

1.3.2 微生物群落时空演替模式

1.3.3 微生物生态学的理论基础

1.4 丰富微生物和稀有微生物

1.4.1 丰富微生物和稀有微生物的定义

1.4.2 丰富微生物和稀有微生物的地理分布

1.5 网络分析在微生物生态中的应用

1.6 研究目的和意义

2.1 引言

2.2 试验材料与方法

2.2.1 样品采集

2.2.2 土壤理化性质测定以及气象数据的获取

2.2.3 DNA提取、扩增与测序

2.2.4 数据处理

2.3 结果分析

2.3.1 非根际土和根际土中真菌群落结构和多样性

2.3.2 不同试验因素对真菌群落结构的影响

2.3.3 非根际土和根际土中真菌群落的地理分布和影响因素

2.4 讨论

2.4.1 非根际土和根际土中真菌群落结构差异

2.4.2 非根际土和根际土中真菌群落构建的机制

2.5 小结

第三章 大豆农田生态系统原生生物群落结构和生物地理趋势

3.1 引言

3.2.1 样品采集

3.2.2 DNA提取、扩增与测序

3.2.3 数据处理

3.3 结果分析

3.3.1 非根际土和根际土中原生生物群落结构和多样性

3.3.2 不同试验因素对原生生物群落结构的影响

3.3.3 非根际土和根际土中原生生物群落的地理分布和影响因素

3.4 讨论

3.4.1 非根际土和根际土中原生生物群落结构差异

3.4.2 非根际土和根际土中原生生物群落构建的机制

3.5 小结

第四章 大豆农田生态系统非根际土和根际土中微生物的共发生模式

4.1 引言

4.2.1 数据采集

4.2.2 16SrRNA基因扩增与高通量测序

4.2.3 数据处理

4.3 结果分析

4.3.1 非根际土和根际土中细菌群落多样性

4.3.2 不同类型的微生物在非根际土和根际土中的共发生模式

4.3.3 基于细菌、真菌和原生生物群落共同构建的共发生网络

4.4 讨论

4.4.1 非根际土和根际土中细菌的群落结构

4.4.2 非根际土和根际土中细菌、真菌和原生生物的共发生模式

4.4.3 非根际土和根际土中细菌、真菌和原生生物之间的相互作用关系

4.5 小结

第五章 大豆农田生态系统丰富和稀有真核微生物的生物地理分布和共发生模式

5.1 引言

5.2 数据处理

5.3 结果分析

5.3.1 非根际土和根际土中丰富和稀有真核微生物的群落分布

5.3.2 非根际土和根际土中丰富和稀有真核微生物群落结构的影响因素

5.3.3 丰富和稀有真核微生物在共发生网络中的地位

5.4 讨论

5.4.1 丰富和稀有真核微生物在非根际土和根际土中的分布

5.4.2 丰富和稀有真核微生物群落构建的机制

5.4.3 非根际土和根际土中丰富和稀有真核微生物的共发生模式

5.5 小结

第六章 大豆生长过程中非根际土和根际土中真核微生物的群落演替

6.1 引言

6.2.1 数据采集

6.2.2 DNA的提取、扩增与测序

6.2.3 数据处理

6.3.1 大豆不同生长时期非根际土和根际土中真菌和原生生物群落组成

6.3.2 大豆不同生长时期非根际土和根际土中真菌和原生生物的群落演替

6.3.3 大豆不同生长时期非根际土和根际土中真核微生物的共发生模式

6.4 讨论

6.4.1非根际土和根际土中真核微生物群落时间演替规律

6.4.2非根际土和根际土中真核微生物的群落演替驱动共发生模式的改变

6.5 小结

第七章 总结与展望

7.1 主要结论

7.2 创新点

7.3 研究展望

参考文献

附录

致谢

作者简介