刚毛柽柳根围土壤中纤维素降解菌菌群结构的研究

摘要

凋落物分解是生态系统中物质和养分循环的关键过程之一，其分解的实质是在土壤微生物分泌的不同酶系作用下凋落物所发生的一系列生物化学过程。由于凋落物组分的多样性与异质性，其分解过程所涉及的酶种类也有很大的不同。刚毛柽柳具有较强的抗盐碱和抗干旱能力，为新疆盐渍化地区植物群落常见建群种。研究刚毛柽柳根围土壤中细菌菌群结构以及纤维素降解菌菌群结构对于我们全面了解荒漠地区植被碳循环特征具有一定的意义。本研究内容可分为以下两个部分。
　　研究的第一部分采用Roche454测序平台对刚毛柽柳根际土、冠下土、边缘土及背景土细菌菌群结构进行测定。测序共获得优化序列57073条，平均序列长为586.9bp。选取OTU97％相似度水平进行细菌菌群生物信息学分析，结果显示土壤样品菌群按丰度大小可分为21个属，共2148种。其中根际土和冠下土的优势属为Salinimicrobium，边缘土和背景土的优势属为Gillisia。根际土中细菌种类为1268种，冠下土细菌种类711种，边缘土细菌种类529种，背景土细菌种类952种。对比发现根际土中菌群组成丰富度和均匀度最高，推测根际土中相应的凋落物降解能力最强。
　　研究的第二部分选取CAZy数据库中的糖苷水解酶第9家族中多个外切葡聚糖纤维二糖水解酶，用CODEHOP在线软件设计简并引物，又引用已发表文献中3对引物，共4对引物对刚毛柽柳根围土壤 DNA进行扩增，其PCR产物电泳均为弥散条带。回收实验所设计的简并引物PCR产物溶液用于后续实验。测序分析结果显示简并引物由于特异性不强，虽然可以扩增出土壤当中的纤维素酶基因，但不适于研究刚毛柽柳根围土壤中糖苷水解酶丰度。
　　为此我们又采集了3份新鲜的刚毛柽柳根际土，等量混合后进行了宏基因组测序，并进行了碳水化合物活性酶注释及丰度统计。结果显示糖苷水解酶所占比例较高，碳水化合物结合模块也占到一定比例，推测这是来自细菌的纤维素酶中底物结合域，说明细菌在凋落物降解过程中起到了很大的作用。此外，通过糖苷水解酶不同家族基因分类统计，我们发现第9家族共获得4条基因序列，丰度较低，这进一步解释了我们针对该家族设计的简并引物特异性不强的原因。实验所选用的第10家族引物虽然没有扩增出特异性条带，但文献报道该对简并引物在天山冻原土的扩增中获得成功，这也暗示了不同的凋落物其降解基因会有很大的差异。
　　通过本实验我们研究获得了刚毛柽柳根围土壤中细菌菌群的结构特点，结果显示其根际土壤中细菌多样性最高，说明其根际土中凋落物降解作用最为旺盛。实验还说明了不同植物凋落物类型以及不同土壤类型中微生物的凋落物降解功能基因种类均有很大的差异，我们应该以测序获得的碳水化合物降解酶基因为信息设计简并引物，并以此研究盐渍化地区植被根围土壤中纤维素降解菌菌群结构特征，是否也存在一定的相似性就有待于研究。