马尾松叶际微生物多样性及其对凋落针叶的分解研究

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植物叶际作为重要的微生物栖息地之一,其微生物群落组成影响着植物的生长、发育、以及森林生态系统的营养循环。马尾松(Pinus massoniana Lamb.)作为我国长江以南地区荒山造林的主要树种之一,其适应性极强,在荒山治理、改善环境等方面具有重要作用。目前有关马尾松叶际微生物的研究工作还未起步,马尾松叶际微生物的多样性及功能尚不明确。有研究指出叶际微生物作为最先定殖在凋落叶上的微生物类群,可能直接参与凋落叶的分解,我们推断马尾松叶际微生物在凋落针叶分解过程中可能发挥重要功能。基于此,本研究以马尾松针叶为研究对象,通过高通量测序方法阐明其叶际微生物多样性,以及室内分解实验揭示马尾松叶际微生物对凋落针叶的分解潜力。结果表明:(1)马尾松叶际微生物多样性。通过扩增子高通量测序技术共发现叶际细菌OTUs1,232个,叶际真菌OTUs 509个。整体而言,马尾松叶际细菌以变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)和蓝细菌门(Cyanobacteria)为优势门,叶际真菌以子囊菌门(Ascomycota)和担子菌门(Basidiomycota)为优势门。季节变化影响了马尾松叶际微生物组成,其中春季细菌物种丰富度最高,其OTUs数为1,188个。夏季真菌物种丰富度最高,其OTUs数为515个。叶际细菌受季节变化影响较大,其中春季叶际细菌以蓝细菌门(Cyanobacteria)为优势门,夏季、冬季叶际细菌以变形菌门(Proteobacteria)为优势门,秋季叶际细菌则以厚壁菌门(Firmicutes)为优势门。叶际真菌组成在各季节均较稳定,且以子囊菌门(Ascomycota)为优势门。另外各季节共有叶际细菌1,018个,叶际真菌366个。这些各季节共存微生物在马尾松适应环境变化(特别是季节性温度和降雨变化)过程中发挥重要作用。(2)随林龄增长,马尾松叶际细菌及真菌多样性呈现不同变化趋势,其中叶际细菌多样性随林龄增长出现先降低后增加的趋势,叶际真菌多样性则呈现先增加后降低再增加的趋势。40年生马尾松叶际细菌和真菌物种丰富度最高,其中细菌共检测到1,257个OTUs,真菌共检测到OTUs数为460个。叶际细菌优势菌群受林龄影响较大,其中12年和22年生马尾松叶际细菌以变形菌门(Proteobacteria)为优势门,30年及40年生马尾松叶际细菌则以蓝细菌门(Cyanobacteria)为优势类群;马尾松叶际真菌组成较为稳定,各林龄下均以子囊菌门(Ascomycota)为优势门。各林龄马尾松共有叶际细菌OTUs 796个,共有叶际真菌OTUs 290个,这些共有微生物可能与马尾松的发育关系密切。(3)马尾松针叶在凋亡后,叶际微生物群落发生变化。生活态针叶与凋亡针叶(尚未接触土壤)及分解层针叶间共有大量细菌和真菌OTUs。室内分解实验结果表明,凋亡针叶携带的叶际微生物可直接参与马尾松凋落针叶分解。马尾松针叶分解过程可分为两个阶段:快速分解期(前8个月)和缓慢分解期(8个月以后)。分解速率整体表现为:叶际微生物+土壤微生物(N+S)处理>叶际微生物(N+SS)处理>土壤微生物(SN+S)处理。在马尾松针叶分解过程中叶际微生物与土壤微生物存在协同作用。凋落针叶分解速率与木质素和纤维素分解速率呈极显著正相关关系(P<0.01),但与木质素和纤维素分解酶活性无显著相关关系。木质素分解酶——多酚氧化酶与过氧化物酶活性极显著负相关,纤维素分解酶——β葡萄糖苷酶活性与纤维二糖苷酶活性则呈极显著正相关关系(P<0.01)。(4)随凋落针叶的分解,不同处理下凋落针叶上定殖的微生物群落呈现不同变化趋势。N+S处理,叶际细菌多样性随分解时间的延长呈现先减少后增加的趋势;叶际真菌随分解时间的延长呈现先增加后减小的趋势。N+SS处理,叶际细菌多样性随分解时间的延长呈现先减少后增加的趋势;叶际真菌随分解时间的延长呈现先减少后增加的趋势。SN+S处理,细菌多样性随分解时间的延长呈现先减少后增加的趋势,叶际真菌随分解时间的延长呈现先增加后减少的趋势。整体来看,SN+S处理下针叶上定殖的微生物多样性最高,且其各分解时期共有细菌OTUs数1,700个,共有真菌OTUs 203个。N+SS处理下各分解时期共有叶际细菌OTUs 1,544个,共有叶际真菌OTUs 170个。N+S处理下各分解时期共有叶际细菌OTUs 1,219,共有叶际真菌OTUs 182个。这些各时期共存的微生物可能是凋落针叶分解过程中的核心微生物。从微生物类群与凋落针叶分解指标的关联分析来看,酸热菌属(Acidothermus)与纤维素分解关系密切,可能直接参与或调控凋落针叶纤维素分解。树粉孢属(Oidiodendron)与木质素分解关系密切,可能直接参与或调控凋落针叶木质素分解。综上,本研究初步阐明了马尾松叶际细菌及真菌多样性,并首次证实了叶际微生物可直接参与凋落针叶的分解,这为进一步阐明马尾松凋落针叶的分解机理和后续马尾松叶际核心微生物组的发掘提供了理论依据。
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