摘 要:为探究苎麻(Boehmeria nivea L.)土壤水浸提液对苎麻生长以及根际土壤微生物(细菌和真菌)群落多样性的影响,本研究以‘湘苎7号’为供试材料,通过气相色谱质谱联用技术(gas chromatography-masssepetrometry,GC-MS)对苎麻根际土壤水浸提液进行物质鉴定,并采用高通量测序技术(next generationsequencing,NGS)对3种不同浓度根际土壤水浸提液处理下的苎麻根际土壤微生物种类进行测序鉴定。结果表明:苎麻根际土壤水浸提液中含有2,4-二叔丁基苯酚、棕榈酸甲酯、邻苯二甲酸二丁酯等具有潜在化感作用的物质。在低浓度苎麻根际土壤水浸提液处理下,苎麻株高、地上部和地下部干物质重量提高;高浓度苎麻根际土壤水浸提液处理下,苎麻株高、茎粗、地上部和地下部干物质重量下降,但处理间未达到显著水平。随着根际土壤水浸提液浓度提高,细菌群落中变形菌门(Proteobacteria)的丰度呈增加趋势,酸杆菌门(Acidobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)的丰度则呈下降趋势;而苎麻根际土壤真菌群落中子囊菌门(Ascomycota)丰度逐渐下降,说明苎麻根际土壤水浸提液对苎麻生长和根际土壤微生物组成有一定程度的影响。
苎麻(Boehmeria nivea L.)是荨麻科(Urticaces)苎麻属(Boehmeria Jacq.)多年生宿根性植物,也是中国特有的纤维作物和重要的特色经济作物之一,其主要用作纺织原料(朱娟娟等,2022)。然而,在正常栽培管理下,苎麻败蔸现象也时常发生,但其具体原因尚不清楚。因此,多途径解析败蔸发生机理对苎麻高产高效栽培具有重要意义。在众多植物研究上,化感作用对植物生理生化、显微结构、酶活性、激素水平等的影响研究成为热点。化感作用(Allelopathy)是指植物通过多种途径向环境中分泌次生代谢产物从而促进或抑制自身或邻近植物的生长(王方琳等,2021)。Yang等(2016)研究表明,植物的根系分泌产物对根际微生物的种类、数量和分布产生影响,进而改变土壤内部环境,影响作物生长。Eisenhauer等(2012)研究表明,根系分泌物介导下的植物-微生物互作关系变化对于土壤肥力、健康状况以及植物生长发育有着极其重要的作用。刘丽等(2022)研究发现,柴胡(Bupleurum chinense DC.)根际微生物群落结构在不同生长时间和栽培模式表现出明显差异,这可能与根系分泌物的组成和数量有关。由此可见,植物向土壤中分泌的化感物质对植物本身和根际微生物群落结构有着重要的影响。
近年来,有学者开始关注苎麻败蔸和根系分泌物之间的关系。朱四元等(2014)研究发现,苎麻宿根生长障碍与根系分泌物有着密切关系。刘楠楠等(2017)对苎麻根际土壤水浸提液进行了分离鉴定并开展了生物学实验,推测苎麻的一些根系分泌物累积可能是导致苎麻败蔸的原因之一。上述研究表明苎麻根系分泌物与苎麻败蔸之间存在着重要的关系。李浩成等(2020)研究发现,连作后由于不断累积的根系分泌物使根际土壤的微生物群落结构发生变化,会促使作物连作障碍的产生。因此研究苎麻根系分泌物影响下苎麻根际微生物群落结构变化对于揭示苎麻败兜有极其重要的意义,但此项研究尚处空白。本研究以‘湘苎7号’为试验材料,采用气相色谱质谱联用技术(gas chromatography-masssepetrometry,GC-MS)技术分析了根际土壤水浸提液中的主要物质成分,研究了苎麻根际土壤水浸提液对苎麻生长及根际微生物群落多样性的影响,旨在探明根系分泌物介导下“苎麻-土壤-微生物”之间的互作关系,为探索苎麻败蔸发生机理提供理论依据。
1结果与分析
1.1苎麻根际土壤水浸提液GC-MS检测
根据GC-MS检测结果,甲醇萃取液中共鉴定出了27种化合物,氯仿萃取液中共鉴定出了14种化合物,乙醚取液中共鉴定出了5种化合物,石油醚取液中共鉴定出了2种化合物(表1)。4种有机溶剂萃取液中鉴定出了酚酸类、醇、烷烃类、酯类、苯甲酸及其衍生物等多类化学物质。初步推测苎麻根际土壤中有2,4-二叔丁基苯酚、棕榈酸甲酯、邻苯二甲酸二丁酯和邻苯二甲酸二异丁酯等多种潜在化感物质。
表1苎麻根际土壤萃取液GC-MS鉴别到的有机化合物
萃取液 Extract |
化合物 Compound |
甲醇 Methanol |
1,3,5,7-Tetroxane |
丙三醇 Glycerin |
|
D-(+)-甘露糖 d-Mannose |
|
蝶呤-6-羧酸 Pterin-6-carboxylicacid |
|
Imidazole,2-amino-5-[(2-carboxy)vinyl]- |
|
Desulphosinigrin |
|
24,25-dihydroxycholecalciferol |
|
2,4-二叔丁基苯酚 2,4-Di-tert-butylphenol |
|
Benzeneethanamine,2,5-difluoro-β,3,4-trihydroxy-N-methyl- |
|
Spirost-8-en-11-one,3-hydroxy-,(3β,5α,14β,20β,22β,25R)- |
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2-十四烷基泛酰巯基乙胺 2-Myristynoylpantetheine |
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12-甲基十三酸甲酯 Tridecanoicacid,12-methyl-,methylester |
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N-[3,5-Dinitropyridin-2-yl]proline |
|
2-Trifluoroacetoxypentadecane |
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3,6,9,12-Tetraoxatetradecan-1-ol,14-[4-(1,1,3,3-tetramethylbutyl)phenoxy]- |
|
邻苯二甲酸二异丁酯 1,2-Benzenedicarboxylicacid,bis(2-methylpropyl)ester |
|
9-十六碳烯酸乙酯 Ethyl9-hexadecenoate |
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Tetraacetyl-d-xylonicnitrile |
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棕榈酸甲酯 Hexadecanoicacid,methylester |
|
邻苯二甲酸二丁酯 Dibutylphthalate |
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13-十八碳烯酸甲酯 13-Octadecenoicacid,methylester |
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十八碳酸甲酯 Methylstearate |
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棕榈酰胺 Hexadecanamide |
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2-亚油酸单甘油酯 9,12-Octadecadienoicacid(Z,Z)-,2-hydroxy-1-(hydroxymethyl)ethylester |
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油酸酰胺 9-Octadecenamide,(Z)- |
|
2,2'-亚甲基双-(4-甲基-6-叔丁基苯酚) Phenol,2,2'-methylenebis[6-(1,1-dimethylethyl)-4-methyl- |
|
异胆酸乙酯 Ethyliso-allocholate |
|
氯仿 Chloroform |
1,2-丙二胺 1,2-Propanediamine 双(二氯甲基)醚 Methane,oxybis[dichloro- 一乙酸甘油酯 1,2,3-Propanetriol,1-acetate Alpha-monopropionin 1,2-二乙酸甘油酯 Glycerol1,2-diacetate D-(+)-甘露糖 d-Mannose 1,2,4-丁三醇三乙酸酯 1,2,4-Butanetriol,triacetate 2,4-二叔丁基苯酚 2,4-Di-tert-butylphenol 2,6,10-三甲基十四烷 2,6,10-Trimethyltetradecane 3-乙基-5-(2-乙基丁基)-十八烷 Octadecane,3-ethyl-5-(2-ethylbutyl)- 邻苯二甲酸二异丁酯 1,2-Benzenedicarboxylicacid,bis(2-methylpropyl)ester 邻苯二甲酸二丁酯 Dibutylphthalate 甘油亚麻酸酯 3-O-(9Z,12Z,15Z-Octadecatrienoyl)glycerol 24,25-dihydroxycholecalciferol |
乙醚 Ether |
1,3,5-环庚三烯 1,3,5-Cycloheptatriene 甲苯 Toluene 正十四碳烷 Tetradecane 2,4-二叔丁基苯酚 2,4-Di-tert-butylphenol 十九烷 Nonadecane |
石油醚 Petroleumether |
戊烷 Pentane 2,4-二叔丁基苯酚 2,4-Di-tert-butylphenol |
注:表中为化合物结构式;-:1对共用电子
1.2苎麻根际土壤水浸提液对苎麻农艺性状的影响
在不同浓度苎麻根际土壤水浸提液处理下,苎麻株高、茎粗、地上部干物质和地下部干物质处理间差异不显著(表2)。其中,株高、地上部干物质和地下部干物质重量以20%根际土壤水浸提液稀释液(Soil0.2)处理最高,分别比其他处理高0.42%~3.90%、2.73%~16.39%和6.01%~6.34%;茎粗以非根际土壤水浸体液(Control)处理最高,比其他处理高2.56%~9.59%;在低浓度根际土壤水浸提液处理下,苎麻各项农艺性状指标有所提高,而在高浓度处理下有所下降,呈现出“低促高抑”的现象。该结果表明苎麻根际土壤水浸提液化感作用的强弱与其浓度紧密相关。
表2 苎麻农艺性状
处理 Deal |
株高(cm) Plantheight(cm) |
茎粗(mm) Thickstem(mm) |
地上部干物质(g/盆) Abovegrounddrymatter(g/pot) |
地下部干物质(g/盆) Undergrounddrymatter(g/pot) |
Control |
47.8±0.41a |
4.80±0.22a |
4.77±0.34a |
9.49±0.32a |
Soil0.2 |
48.0±0.32a |
4.68±0.28a |
4.90±0.31a |
10.06±0.33a |
Soil |
46.2±0.34a |
4.38±0.29a |
4.21±0.27a |
9.46±0.28a |
注:Control:非根际土壤水浸体液;Soil0.2:20%根际土壤水浸提液稀释液;Soil:根际土壤水浸提液;同列不同小写字母:差异显著(P<0.05)
1.3苎麻根际土壤水浸提液对苎麻根际土壤细菌多样性的影响
通过对9个土壤样品进行测序,数据优化后共获得686708条有效序列,平均优化百分比为92.34%,总碱基数为264271123,平均序列长度为417bp。9个样品的生物分类单元(operationaltaxonomicunits,OTUs)为1106~1373,覆盖率均在99%以上(表3),说明本次测序结果可以反映土壤细菌群落结构的真实情况。在样本内多样性评估指数中,香农指数(TheShannonindex)表现为Soil0.2>Control>根际土壤水浸提液(Soil),说明低浓度苎麻根际土壤水浸提液处理下,苎麻根际土壤细菌群落多样性更高,而随着浓度增加,多样性减弱;OTUs表现为Soil0.2>Control>Soil,同时Soil0.2处理的Ace丰度指数(TheAceestimator)也最高,说明低浓度苎麻根际土壤水浸提液处理下根际土壤细菌群落丰度更高,但高浓度处理下有所下降。
按97%的相似度对样本非重复序列进行OTU分类,并与16S细菌和古菌核糖体数据库(Silva,RDP,Greengene)比对,归属于33门,74纲,141目,254科,394属。优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)(49.43%~52.13%)和放线菌门(Actinobacteria)(17.72%~22.51%),随着处理液中土壤浸提液浓度的增加,土壤细菌群落中变形菌门的丰度呈增加趋势,表现为Soil>Soil0.2>Control;而放线菌门的丰度则呈下降趋势,表现为Control>Soil0.2>Soil(图1)。不同处理下苎麻根际土壤细菌群落门分类水平相对丰度表明,在Control处理下聚集较多的门有俭菌总门(Parcubacteria)、装甲菌门(Armatimonadetes)、WCHB1-60;Soil0.2处理下聚集较多的门有浮霉菌(Planctomycetes)、梭杆菌门(Fusobacteria)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae);Soil处理下聚集较多的门有Deinococcus-Thermus、变形菌门(Proteobacteria)、热袍菌门(Thermotogae)(图2)。
在属水平上,主要的属有Mizugakiibacter、鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)、产黄杆菌属(Rhodanobacter)、Castellaniella、亚硝化螺菌属(Nitrosospira)等(图3)。Control处理下聚集较多的属有希瓦氏菌属(Shewanella)、unidentified_Xanthomonadaceae、德沃斯氏菌属(Devosia);Soil0.2处理下聚集的属较多,有亚硝化螺菌属(Nitrosospira)、中慢生根瘤菌属(Mesorhizobium)、运动东秀珠氏菌(Dongia)、Candidatus_Solibacter;Soil处理下聚集较多的属有类芽孢杆菌(Paenibacillus)、Mucilaginibacter、Mizugakiibacter(图4)。
由此可见,不同浓度苎麻土壤水浸提液对根际细菌群落结构是有一定影响的,特别是变形菌门和放线菌门。在属水平上,Mizugakiibacter、鞘氨醇单胞菌属和产黄杆菌属在不同浓度土壤水浸提液下差异较大。
表3 不同浓度苎麻土壤水浸提液处理下细菌Alpha多样性指数
处理 Deal |
OTUs |
Shannon指数 Shannonindex |
Simpson指数 Simpsonindex |
Chao1指数 Chao1index |
Ace指数 Aceindex |
Coverage指数 Coverageindex |
Control |
1184a |
7.495a |
0.981a |
1171a |
1297a |
0.9970a |
Soil0.2 |
1373a |
7.993a |
0.986a |
1372a |
1490a |
0.9963a |
Soil |
1106a |
7.249a |
0.957a |
1382a |
1158a |
0.9977a |
注:Control:非根际土壤水浸体液;Soil0.2:20%根际土壤水浸提液稀释液;Soil:根际土壤水浸提液;同列不同小写字母:差异显著(P<0.05);OTUs:生物分类单元
图1 土壤细菌群落门分类水平相对丰度
注:Control:非根际土壤水浸体液;Soil0.2:20%根际土壤水浸提液稀释液;Soil:根际土壤水浸提液
图2 土壤细菌群落门分类水平相对丰度热图
注:横向:物种信息;纵向:样品信息;中间热图对应值:标准化处理后每行物种相对丰度的z值;左聚类树:物种聚类树;Control:非根际土壤水浸体液;Soil0.2:20%根际土壤水浸提液稀释液;Soil:根际土壤水浸提液
图3 土壤细菌群落属分类水平相对丰度
注:Control:非根际土壤水浸体液;Soil0.2:20%根际土壤水浸提液稀释液;Soil:根际土壤水浸提液
图4 土壤细菌群落属分类水平相对丰度热图
注:Control:非根际土壤水浸体液;Soil0.2:20%根际土壤水浸提液稀释液;Soil:根际土壤水浸提液;
1.4苎麻根际土壤水浸提液对苎麻根际土壤真菌多样性的影响
试验对9个土壤样品进行测序,数据优化后共获得753521有效序列,平均优化百分比95.10%,总碱基数为175036614,平均序列长度为244bp。9个样品的生物分类单元OTUs为557~667(表4),覆盖率均在99%以上,说明本次测序结果可以反映土壤细菌群落结构的真实情况。在Alpha多样性评估指标中,Shannon指数表现为Control>Soil0.2>Soil,说明苎麻根际土壤水浸提液对真菌菌群多样性具有一定限制作用,即随着浓度增加,菌群多样性减弱;OTUs表现为Soil>Control>Soil0.2,同时Soil处理的Chao1丰富度指数(TheChao1estimator)和Ace指数也最高,说明高浓度苎麻根际土壤水浸提液处理下,苎麻根际土壤真菌群落丰度高于Control处理和低浓度处理。
将苎麻根际土壤真菌群落OTU与ITS真菌数据库(Unite)比对,归属于6门,25纲,70目,137科,203属,298种。主要的门有子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)、接合菌门(Zygomycota)、新美鞭菌门(Neocallimastigaceae)等(图5),其中优势门为子囊菌门,其相对丰度占真菌群落的58.02%~73.84%。随着处理液浓度升高,苎麻根际土壤真菌群落中子囊菌门丰度逐渐下降,表现为Control>Soil0.2>Soil。不同处理下苎麻根际土壤真菌群落门分类水平相对丰度表明,Control处理下聚集较多的门有子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota);Soil0.2处理下聚集较多的门有壶菌门(Chytridiomycota);Soil处理下聚集较多的门有接合菌门(Zygomycota)(图6)。
在属水平上,主要的属有青霉菌属(Penicillium)、圆孢霉属(Staphylotrichum)、曲霉属(Aspergillus)、Stephanonectria、枝孢属(Cladosporium)等(图7),其中优势属为青霉菌属,其丰度占真菌群落的17.87%~32.46%。Control处理下聚集较多的属有枝孢属、嗜热真菌属(Thermomyces)、弯孢属(Curvularia);Soil0.2处理下聚集较多的属有周刺座霉属(Volutella)、粉红螺旋聚孢霉(Clonostachys)、Fusicolla、念珠菌属(Candida);Soil处理下聚集较多的属有明梭孢属(Monographella)、踝节菌属(Talaromyces)、Slimacomyces (图8)。该结果表明不同浓度苎麻土壤水浸提液处理改变了根际微生物群落的多样性和丰富度以及优势菌的种类。
表4 真菌群落多样性指数
处理 Deal |
OTUs |
Shannon指数 Shannonindex |
Simpson指数 Simpsonindex |
Chao1指数 Chao1index |
Ace指数 Aceindex |
Coverage指数 Coverageindex |
Control |
585a |
4.685a |
0.887a |
631a |
643a |
0.9987a |
Soil0.2 |
557a |
4.257a |
0.857a |
698a |
627a |
0.9987a |
Soil |
667a |
3.980a |
0.703a |
717a |
720a |
0.9990a |
注:同列不同小写字母:差异显著(P<0.05);Control:非根际土壤水浸体液;Soil0.2:20%根际土壤水浸提液稀释液;Soil:根际土壤水浸提液;OTUs:生物分类单元
图5 土壤真菌群落门分类水平相对丰度
注:Control:非根际土壤水浸体液;Soil0.2:20%根际土壤水浸提液稀释液;Soil:根际土壤水浸提液
图6 土壤真菌群落门分类水平相对丰度热图
注:Control:非根际土壤水浸体液;Soil0.2:20%根际土壤水浸提液稀释液;Soil:根际土壤水浸提液
图7 土壤真菌群落属分类水平相对丰度
注:Control:非根际土壤水浸体液;Soil0.2:20%根际土壤水浸提液稀释液;Soil:根际土壤水浸提液
图8 土壤真菌群落属分类水平相对丰度热图
在高浓度苎麻根际土壤水浸提液处理下,细菌比例下降,真菌比例明显升高,真菌逐渐成为苎麻根际土壤优势群体(图9)。而研究表明,土壤中真菌比例升高是地力衰竭的标志(李杨等,2022),苎麻多年连作后,其根际土壤中积累的化感物质可能直接影响根系生长或通过影响土壤微生物群落结构而改变土壤环境,进而影响苎麻的生长甚至造成弱蔸或败蔸。
图9土壤真菌与细菌数量比值
注:Control:非根际土壤水浸体液;Soil0.2:20%根际土壤水浸提液稀释液;Soil:根际土壤水浸提液
2讨论
化感作用响应指数不仅受化感物质浓度影响,还与化感物质类型、植物类型、植物所处生育期等有密切联系。如黄云霄等(2017)探究了龙葵(Solanum nigrum L.)的甲醇、乙酸乙酯、二氯甲烷和石油醚4种浸提物对水稻(Oryza sativa L.)、玉米(Zea mays L.)和萝卜(Raphanus sativus L.)种子的化感效应,结果表明龙葵不同浸提物活性差异较大且相同试剂浸提物不同浓度处理间变化也有差异。高玉莲等(2020)研究表明,油菜(Brassica napus L.)根系分泌物对向日葵(Helianthus annuus)幼苗有着明显的化感作用,其对幼苗的生长、过氧化物酶、丙二醛以及蛋白质含量均有着显著的影响。植物根分泌的化感物质与植物生长存在一定的关系,它通过影响离子吸收、水分吸收、光合作用、蛋白质合成等一系列生理生化过程,来限制植物的生长。王立光等(2019)通过对胡麻(Linum usitatissimum L.)自毒效应研究表明,棕榈酸对胡麻种子萌发和幼苗生长表现出“低促高抑”现象。本研究通过GC-MS技术从苎麻根际土壤水浸提液中获得了2,4-二叔丁基苯酚、棕榈酸甲酯、邻苯二甲酸二丁酯等典型具有化感作用的物质,评估苎麻根际土壤水浸提液对苎麻生长影响发现,苎麻各项农艺性状(株高,茎粗,地上部干物质和地下部干物质)对根际土壤水浸提液都表现出“低促高抑”的现象,即在低浓度下具有一定的促进作用,而在高浓度下具有抑制作用。可能是由于低浓度下有限的化感物质,并未达到抑制苎麻生长的浓度;另一方面,化感物质在低浓度下虽作用不明显,但浸提液中的有机质及其他营养物质可能对生长有利,因而表现为促进作用。这与前人研究结果一致(Lietal.,2022)。
细菌是土壤微生物的重要组成部分,陆地生态系统中主要的细菌类群是变形菌门和酸杆菌门。如李岩等(2018)研究表明黑果枸杞(Lycium ruthenicum Murr.)根际土壤中的优势类群是变形菌门和厚壁菌。张胜男等(2020)研究表明沙地榆树(Ulmus pumila L.)疏林土壤中最优势细菌类群为放线菌门。为探究苎麻根际土壤细菌群落组成和群落结构的情况,研究采用高通量测序技术分析了不同根际土壤水浸提液处理下对土壤细菌群落结构变化。研究发现,不同苎麻根际水浸提液处理下,变形菌门、放线菌门和酸杆菌门均是优势类群,随着苎麻根际水浸提液浓度的增加,土壤细菌群落结构变化具体表现为,土壤细菌群落中酸杆菌门和放线菌门的丰度则呈下降趋势(Control>Soil0.2>Soil);而变形菌门的丰度呈增加趋势(Soil>Soil0.2>Control)。这可能与3种菌门的生态幅相对较宽有关,前人已有大量研究表明变形菌门、放线菌门和酸杆菌门是土壤中的优势菌群(Wangetal.,2022)。有研究表明,土壤中微生物数量和比例的变化,将影响土传病害发生的概率,当细菌和放线菌数量及其组成比例减小时,土传病害发生概率上升。本研究中,随着浸提液浓度升高,细菌比例逐渐下降,说明邻苯二甲酸二丁酯等苎麻根际分泌物促使土壤由细菌型向真菌型转化,增加了苎麻连作障碍的发生。
真菌是土壤微生物的重要组成部分,其群落组成、结构和多样性对于维持生态平衡发挥着极其重要的作用。本研究检测和分析了不同苎麻根际水浸提液处理下根际真菌菌落变化,发现苎麻根际土壤中主要的真菌类群有子囊菌门、担子菌门、接合菌门、新美鞭菌门等,其中优势门为子囊菌门。萨如拉等(2020)发现秸秆还田后的土壤真菌组成以孢霉门、子囊菌门、担子菌门为主。这与本研究结果有相似之处,表明土壤中真菌以子囊菌门和担子菌门占优势,并且由于土壤养分、水分、类型等因素的不同,共存着多样的真菌优势类群。本研究表明,在不同浓度苎麻根际土壤水浸提液处理下,土壤真菌菌落结构发生差异,具体表现为:随着浓度的提高,苎麻根际土壤真菌群落中子囊菌门丰度逐渐下降;Control处理下土壤真菌群落相对丰度较高的门是子囊菌门、担子菌门;Soil0.2处理下土壤真菌群落相对丰度较高的门是壶菌门;Soil处理下土壤真菌群落相对丰度较高的门有接合菌门。说明不同浓度苎麻根际水浸提液形成了特定的土壤环境和根际条件,影响了部分微生物的生长和繁殖,土壤微生物群落中的一些物种逐渐被更适应新环境的物种取代,使真菌群落结构发生了改变。有研究发现子囊菌门真菌中包含的病原菌和有害菌属会对植物的生长产生不利影响。赵卫松等(2021)在马铃薯(Solanum tuberosum)黄萎病根际土壤真菌群落分析研究中表明,子囊菌门均是优势菌门且与病害发生有着密切的关系。因此,苎麻根际分泌物在一定程度上调节了根际土壤的健康。
土壤微生物多样性对于植物间的互作关系以及植物自身健康生长具有至关重要的作用(程勤等,2020)。在根系分泌物介导下“植物-土壤-微生物”的关系中,土壤微生物及其生长环境是关键,由植物根系分泌的各种次生代谢产物通过影响微生物种类、数量和分布,改变根际土壤环境,进而对植株产生长期、稳定的效应(Rosenfeldetal.,2018)。本研究结果表明,苎麻根际水提液对苎麻农艺性状和根际微生物多样性有一定影响,苎麻根际分泌物质以及微生物群落的改变可能是影响苎麻败蔸的重要因素。但不同浓度根际水提液含量影响下苎麻生长性状反映以及土壤微生物群落特征、多样性不尽相同,因此,后续有必要再进行更加深入研究,在多年连续观察下探究苎麻败蔸与根际分泌物的关系。
3材料与方法
3.1研究材料
试验在湖南农业大学麻类阳光板温室进行,选常规栽培品种‘湘苎7号’为供试材料,该品种属深根性,无效分株少,抗逆性强。采用嫩梢扦插法育苗。选取根系生长良好、大小一致的幼苗移栽于聚乙烯桶,每桶2株。桶直径27cm,高29cm,每桶装土10kg(表5)。于湖南农业大学耘园基地采集苎麻(6龄麻)根际土壤,将根际土壤与蒸馏水以1:2(质量g:体积mL)在常温下浸泡48h,期间多次搅拌、震动,静置、过滤后获得苎麻根际土壤水浸提液。试验设3个处理:(1)Control;(2)Soil0.2;(3)Soil;每个处理重复3次。用上述浸提液对苎麻盆栽进行浇灌,每次浇灌500mL,每7天浇灌一次,共浇灌12次。
表5 土壤基本理化性质
全氮(g/kg) Totalnitrogen(g/kg) |
碱解氮(mg/kg) Alkalinehydrolysisnitrogen(mg/kg) |
全磷(g/kg) Totalphosphorus(g/kg) |
速效磷(mg/kg) Availablephosphorus(mg/kg) |
全钾(g/kg) Totalpotassium(g/kg) |
速效钾(mg/kg) Availablepotassium(mg/kg) |
酸碱度 pH |
有机质(g/kg) Organicmatter(g/kg) |
1.76 |
130.38 |
1.62 |
117.73 |
15.65 |
48.67 |
5.18 |
25.30 |
3.2苎麻根际土壤水浸提液GC-MS检测分析
取苎麻根际土壤500g按土壤与蒸馏水1:2(质量g:体积mL)的比例浸泡48h,并定期搅拌。用4层灭菌医用纱布进行过滤收集粗浸提液,然后将粗滤液置于离心机(2500r/min,10℃)离心10min,再用0.45μm的微孔滤膜过滤得到精滤液。将精滤液用旋转蒸发仪浓缩至80mL左右,得到浓度为6g/mL(即1mL水溶液中含有6g土壤的浸提物)的土壤水浸提液。将土壤水浸提液加入4支20mL离心管中放置于-80℃冰箱冷冻至固态,冷冻干燥去除水分后再分别加入石油醚、乙醚、氯仿、甲醇4种极性由低到高的有机溶剂各3mL进行萃取,萃取液经针头式微孔滤膜过滤后,存储于1mLEP管内,待检。
3.3苎麻农艺指标获取
(1)株高:用尺子测量植株从植株基部到顶端的高度。
(2)茎粗:用游标卡尺测量苎麻植株基部到顶端三分之一茎秆处的粗度。
(3)干物质:于收获期,各处理选取长势一致的代表性植株3株,分离样品根茎,放入105℃烘箱中杀青30min,60℃烘干至恒重,称量干重。
3.4苎麻根际微生物信息获取
苎麻根际微生物信息获取由6个部分组成:取样、基因组DNA的提取、PCR扩增、PCR产物混样与纯化、文库构建和上机测序和生物信息分析。取苎麻根际土壤,采用十六烷基三甲基溴化铵(cetyltrimethylammoniumbromide,CTAB)法提取土壤样品基因组DNA(刘华等,2011),DNA纯度和浓度用琼脂糖凝胶电泳检测,以基因组DNA为模板,带Barcode为特异引物(表6),进行PCR扩增。PCR扩增产物进行纯化和定量后形成测序文库,质检合格的文库由北京擎科生物科技有限公司进行高通量测序。利用FLASH软件对测序得到的原始数据进行拼接,将拼接序列进行质量过滤后得到优化数据,基于优化数据进行OTUs聚类和物种分类分析。
表6 PCR引物设计
测序类型 Sequencingtype |
区域 Region |
引物名称 Primername |
引物序列 Primersequence |
细菌16S Bacteria16S |
V3+V4 |
341F |
CCTAYGGGRBGCASCAG |
806R |
GGACTACNNGGGTATCTAAT |
||
真菌ITS FungusITS |
ITS1 |
ITS5-1737F |
GGAAGTAAAAGTCGTAACAAGG |
ITS2-2043R |
GCTGCGTTCTTCATCGATGC |
3.5数据处理分析
采用Excel进行数据统计和制图,利用DPS数据处理系统(v7.05专业版)对数据进行分析。
参考文献
[1]程勤,胡承孝,明佳佳,蔡苗苗,刘康,汤艳妮,赵小虎,2020,硒对油菜根际土壤微生物的影响,农业资源与环境学报,38(1):104-110.
[2]高玉莲,李睿光,常静,李妍,李海平,2020,油菜对3种作物种子萌发和幼苗生长的化感作用,应用生态学报,31(12):4153-4160.
[4]黄云霄,齐勇,杨晓娜,胡安龙,2017,龙葵提取物对不同作物幼苗的化感效应,杂草学报,35(2):40-45.
[5]Li C.Y.,Yang X.,Tian Y.,Yu M.T.,Shi S.,Qiao B.,Zhao C.J.,and Miao L.,2021,The effects of fig tree(Ficus carica L.)leaf aqueous extract on seed germination and seedling growth of three medicinal plants,Agronomy,11(12):2564.
[6]李浩成,左应梅,杨绍兵,杨天梅,李纪潮,杨维泽,张金渝,2020,三七根系分泌物在连作障碍中的生态效应及缓解方法,中国农业科技导报,22(8):159-167.
[7]李杨,敖静,孙玉禄,高晓梅,刘晓辉,桓明辉,池景良,2022,温室黄瓜连作土壤真菌多样性变化分析,中国土壤与肥料,22(2):34-41.
[8]李岩,杨晓东,秦璐,吕光辉,何学敏,张雪妮,2018,两种盐生植物根际土壤细菌多样性和群落结构,生态学报,38(9):3118-3131.
[9]刘华,申天琳,李学坤,付合才,戴九兰,2011,土壤RNA提取方法研究进展,应用与环境生物学报,17(6):918-922.
[10]刘丽,范娅,冯海洋,杜衎,高德民,2022,生长时间和栽培模式对柴胡根际微生物群落结构的影响,西南农业学报,35(1):50-57.
[11]刘楠楠,白玉超,李雪玲,杨瑞芳,郭婷,崔国贤,2017,苎麻根际土壤水浸提液化感潜力评价,植物营养与肥料学报,23(3):834-842.
[12]Rosenfeld C.E.,James B.R.,and Santelli C.M.,2018,Persistent bacterial and fungal community shifts exhibited in selenium-contaminated reclaimed mine soils,Appl.Environ.Microb.,84(16):1-18.
[13]萨如拉,杨恒山,邰继承,高聚林,李媛媛,2020,秸秆还田条件下腐熟剂对不同质地土壤真菌多样性的影响,中国生态农业学报,28(7):1061-1071.
[14]王方琳,尉秋实,柴成武,王理德,张德魁,王昱淇,王飞,胡小柯,2021,沙蒿(Artemisia desertorum)浸提液对自身种子萌发与幼苗生长的化感作用,中国沙漠,41(6):21-28.
[15]Wang K.L.,Wang T.,Ren C.,Dou P.P.,Miao Z.Z.,Liu X.Q.,Huang D., and Wang K.,2022,Aqueous extracts of three herbs allelopathically inhibit lettuce germination but promote seedling growth at low concentrations,Plants,11(4):486.
[16]王立光,陈军,李静雯,李进京,陈琛,叶春雷,罗俊杰,2019,胡麻残茬水提液化感自毒作用研究,中国油料作物学报,41(3):445-454.
[17]Yang H.,Hu J.X.,Long X.H.,Liu Z.P.,and Rengel Z.,2016,Salinity altered root distribution and increased diversity of bacterial communities in the rhizosphere soil of Jerusalem artichoke,Sci.Rep-UK.,6(10):20687.
[18]张胜男,闫德仁,黄海广,胡小龙,2020,短期封育对科尔沁沙地榆树疏林土壤微生物群落结构的影响,生态学杂志,39(9):2860-2867.
[19]赵卫松,郭庆港,苏振贺,王培培,董丽红,胡卿,鹿秀云,张晓云,李社增,马平,2021,马铃薯健株与黄萎病株根际土壤真菌群落结构及其对碳源利用特征,中国农业科学,54(2):296-309.
[20]朱娟娟,喻春明,陈继康,陈平,熊和平.2022,不同硒源和浓度对饲用苎麻幼苗生理生化特性的影响,中国土壤与肥料,22(3):110-118.
[21]朱四元,刘头明,汤清明,唐守伟,2014,不同连作障碍因子对苎麻农艺性状的影响,中国麻业科学,36(3):137-141.
文章摘自:李赟,白玉超,付虹雨,王梓薇,崔国贤,佘玮,杨瑞芳.苎麻土壤水浸提液物质成分鉴定及其对根际微生物的影响[J/OL].分子植物育种:1-13[2022-10-13].
