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油茶(Camellia oleifera Abel.)又称茶子树,属于山茶科、山茶属植物,是我国南方丘陵地区重要的木本油料树种[1]。油茶籽所榨茶油中含有大量不饱和脂肪酸,具有降低血脂、降低胆固醇、保护心血管系统等功效[2]。此外,油茶也是防风固沙和保持水土的重要树种[3]。截止2017年底,我国油茶种植面积已扩大到443万多hm2[4]。然而,在油茶林经营过程中,大量不合理施肥已造成生态环境质量下降,引起的土壤重金属含量过高、土壤环境酸化板结等问题日益突出[5]。因此,提高化肥利用效率,降低施用量,恢复退化土壤已成为我国油茶产业可持续发展突出问题。
丛枝菌根(Arbuscular mycorrhizas,AM)真菌,作为一种广泛存在于陆地生态系统的共生菌,能够改善植物对磷、氮等养分的吸收,提高植物对生物和非生物逆境的抗性[6]。随着人们对作物生产中高产、资源高效意识的不断提高,AM真菌在集约化作物生产体系中的作用日益受到关注[7]。AM真菌的生理生态功能与其群落结构密切相关,不同的AM真菌群落通常具有不同的功能[8-9]。植物种类是影响AM真菌群落结构特征的重要因素[10]。大量研究发现,在物种水平上,同一生境下共存的不同植物,其共生的AM真菌种类明显不同[11]。少量有关同一植物不同品种AM真菌群落组成的研究表明,AM真菌的群落组成受到寄主植物基因型的影响[11]。郭邵霞和刘润进[8]研究发现,牡丹基因型能改变AM真菌的侵染率和种属组成。Mao等人[12]发现,不同品种小麦AM真菌侵染率相同但群落组成不同。近年来,人们不断地筛选和培育出具有优良性状的作物新品种,并应用于生产,因此,开展同一植物不同栽培品种AM真菌群落组成的研究具有一定的理论研究和实际应用意义。
目前,关于油茶根际AM真菌种类已有相关报道[5],然而,对不同品种油茶根际AM真菌的多样性是否存在差异未见报道。为此,本研究以不同品种油茶根际土壤为研究对象,采用Illumina MiSeq高通量测序技术研究油茶不同品种AM真菌多样性,并分析AM真菌群落特征与土壤理化性质间的关系,为油茶专用菌肥研发和集约化可持续经营提供科学理论依据。
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AM真菌对5个品种油茶的主要侵染类型均为菌丝侵染,不同品种油茶AM真菌的侵染率存在差异(图1)。GX48的总侵染率最高,GW84-8的总侵染率最低。5个品种的菌丝侵染率变化规律与总侵染率基本一致。CL4和CL53的泡囊侵染率高于其他品种。CL4的丛枝侵染率高于其他品种。
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对5个不同品种油茶根际土壤进行高通量测序,共获得1 376 048条高质量序列,所有序列共归为2 538个OTUs,其中CL4、GW84-8、GW48、CL3、CL53中包含的OTU数目分别是830、931、1 163、1 103、1 012个。5个品种共有OTUs为176个,其中不同品种特有OTU数目分别是237、196、259、306、201个。总体来看,不同品种油茶根际土壤共有的微生物数量较少。
对OTUs从门到属依次进行分类,总共获得AM真菌群落1门、1纲、4目、10科、12属(表1),即为球囊菌门Glomeromycota和球囊菌纲Glomeromycetes,4个目分别为球囊霉目Glomerales(占总数的62.40%)、类球囊霉目Paraglomerales(25.32%)、原囊霉目Archaeosporales(4.28%)、多样孢囊霉目Diversisporales(0.98%);在科水平,5个油茶品种根际中共鉴定出10个科,其中球囊霉科Glomeraceae(占总数的41.12%)、类球囊霉科Paraglomeraceae(25.32%)、近明球囊霉科Claroideoglomeraceae(21.28%)等相对丰度较高,而原囊霉科Archaeosporaceae(2.22%)、双型囊霉科Ambisporaceae(2.05%)、无梗囊霉科Acaulosporaceae(0.57%)、巨孢囊霉科Gigasporaceae(0.33%)、多样孢囊霉科Diversisporaceae(0.07%)、和平囊霉科Pacisporaceae(0.02%)、地管囊霉科Geosiphonaceae(0.01%)等相对丰度较低。
表 1 油茶根际土壤AM真菌群落系统分类
Table 1. Taxonomy of AM fungal communities in rhizosphere soil of Camellia oleifera
目 Order 比例 Ratio 科 Family 比例 Ratio 球囊霉目 Glomerales 62.40% 球囊霉科 Glomeraceae 41.12% 近明球囊霉科 Claroideoglomeraceae 21.28% 类球囊霉目 Paraglomerales 25.32% 类球囊霉科 Paraglomeraceae 25.32% 原囊霉目 Archaeosporales 4.28% 地管囊霉科 Geosiphonaceae 0.01% 双型囊霉科 Ambisporaceae 2.05% 原囊霉科 Archaeosporaceae 2.22% 多样孢囊霉目 Diversisporales 0.98% 巨孢囊霉科 Gigasporaceae 0.33% 无梗囊霉科 Acaulosporaceae 0.57% 和平囊霉科 Pacisporaceae 0.02% 多样孢囊霉科 Diversisporaceae 0.07% 注:百分数为各目、科在所有样品中所占比例。
Notes: The percentages indicating the proportion of each order and family in all samples. -
不同品种油茶根际AM真菌群落组成不同,其中从CL4、CL53根际土壤中均检测到12个属,而GW84-8、CL3、GX48中分别检测到11、10、9个属(图2)。球囊霉属Glomus、类球囊霉属Paraglomus、巨孢囊霉属Gigaspora和近明球囊霉属Claroideoglomus的相对丰度在5个油茶品种间具有显著差异(图2)。与其他品种相比,GW84-8中球囊霉属Glomus相对丰度(71.49%)最高,而类球囊霉属Paraglomus(6.70%)和巨孢囊霉属Gigaspora(0.02%)相对丰度最低;CL53中近明球囊霉属Claroideoglomus相对丰度(34.12%)最高,而巨孢囊霉属Gigaspora相对丰度(0.18%)最低。
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不同品种油茶AM真菌α多样性分析结果如表2所示,5个品种油茶根际土壤AM真菌的辛普森指数、Chao 1指数、ACE指数和香农指数均无显著差异,说明品种对油茶根际AM真菌多样性影响不大。
表 2 油茶不同品种根际土壤AM真菌α多样性指数
Table 2. Alpha diversity index of AM fungi in the rhizosphere soil of different cultivars of Camellia oleifera
品种 Cultivar 辛普森指数(×100)Simpson index(×100) Chao 1指数 Chao 1 index ACE指数 ACE index 香侬指数 Shannon index CL3 81.61±7.67 364.01±42.41 370.50±43.17 4.70±0.56 CL4 87.59±2.76 218.74±39.49 220.51±39.62 4.57±0.31 CL53 91.26±1.81 337.09±53.75 344.70±55.72 5.25±0.36 GW84-8 92.54±1.28 318.25±39.05 320.74±37.03 5.38±0.35 GX48 93.08±1.69 358.64±52.17 364.36±54.04 5.43±0.36 0.23NS 0.20NS 0.18NS 0.43NS 注:表中 NS表示无显著差异。
Notes: NS indicating no significant difference. -
不同品种油茶根际土壤AM真菌β多样性分析结果如图3所示,第一轴从左至右的梯度基本代表品种从CL53到CL3排列,代表梯度比较短,第二轴从上至下的梯度代表品种从CL53到CL4排列,代表梯度较短。从品种分布来看,GW84-8和GX48分布较集中,而CL3、CL4和CL53分布较发散,表明CL3、CL4和CL53群落结构差异较大,而GW84-8和GX48差异较小。Adonis分析结果表明,油茶5个品种的AM真菌属水平上的群落结构存在显著差异(P<0.05)。
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RDA分析表明,土壤因子对AM真菌群落变异的解释量超过30.13%,第一排序轴解释群落变化的16.91%,而第二排序轴解释群落变化的13.22%(图4)。硝态氮对AM真菌群落结构有显著影响(P<0.05)。其中,类球囊霉属Paraglomus、巨孢囊霉属Gigaspora、原囊霉属Archaeospora、多样孢囊霉属Diversispora、无梗囊霉属Acaulospora、隔球囊霉属Septoglomus和地管囊霉属Geosiphon丰度与硝态氮正相关,而双型囊霉属Ambispora丰度与硝态氮负相关。
不同品种油茶根际丛枝菌根真菌群落结构特征
Community Structure Characteristics of Arbuscular Mycorrhizal Fungi among Camellia oleifera Cultivars
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摘要:
目的 探究油茶品种对丛枝菌根(arbuscular mycorrhiza,AM)真菌的影响,为进一步揭示AM真菌对植物基因型的响应和菌肥的研发提供依据。 方法 采用Illumina MiSeq高通量测序技术分析江西省5种主栽品种油茶(长林3、长林4、长林53、赣无84-8和赣兴48)根际AM真菌群落结构特征。 结果 在5个品种油茶中共获得2 538个OTUs,隶属于1门、1纲、4目、10科、12属,球囊霉科Glomeraceae相对丰度最高,占AM真菌41.12%。辛普森指数、Chao 1指数、ACE指数和香农指数在5个品种油茶间无显著差异。菌根侵染率、Glomus丰度、Paraglomus丰度、Gigaspora丰度和Claroideoglomus丰度在5个品种油茶间存在显著差异。NMDS分析表明,油茶品种改变了根际AM真菌的群落结构;RDA分析表明,硝态氮是土壤因子中影响油茶根际AM真菌群落组成的最主要因素。 结论 油茶品种对AM真菌群落结构有显著影响,对AM真菌多样性影响不大,硝态氮含量变化是最主要影响因素。 Abstract:Objective The effects of Camellia oleifera cultivar on the community structure of arbuscular mycorrhiza (AM) fungi were investigated to provide references for further revealing the response of AM fungi to plant genotypes and the development of microbial fertilizers. Method The Illumina MiSeq high-throughput sequencing technology was used to analyze the structural characteristics of AM fungi in the rhizosphere soil of five main C. oleifera cultivars (Changlin 3, Changlin 4, Changlin 53, Ganwu 84-8 and Ganxing 48) in Jiangxi Province. Result A total of 2 538 OTUs were obtained from the 5 C. oleifera cultivars, belonging to 1 phylum, 1 class, 4 orders, 10 families and 12 genera. The relative abundance of Glomeraceae was the highest, accounting for 41.12% of AM fungi families. No significant differences were observed in the Simpson, Chao 1, ACE and Shannon indexes among the five C. oleifera cultivars. Mycorrhizal infection rate, Glomus abundance, Paraglomus abundance, Gigaspora abundance and Claroideoglomus abundance were significantly different among the five C. oleifera cultivars. NMDS analysis showed that C. oleifera cultivar changed the community structure of AM fungi in the rhizosphere soil of C. oleifera. RDA analysis showed that nitrate was the most important soil factor affecting the distribution of AM fungi community in C. oleifera rhizosphere. Conclusion The C.oleifera cultivar has significant influence on rhizosphere AM fungal community, whilst the impact of cultivar on AM fungal diversity is not significant. Furthermore, the content of nitrate is the most important factor affecting AM fungal community structure among many soil factors. -
Key words:
- Camellia oleifera
- / cultivar
- / AM fungal diversity
- / community structure
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表 1 油茶根际土壤AM真菌群落系统分类
Table 1. Taxonomy of AM fungal communities in rhizosphere soil of Camellia oleifera
目 Order 比例 Ratio 科 Family 比例 Ratio 球囊霉目 Glomerales 62.40% 球囊霉科 Glomeraceae 41.12% 近明球囊霉科 Claroideoglomeraceae 21.28% 类球囊霉目 Paraglomerales 25.32% 类球囊霉科 Paraglomeraceae 25.32% 原囊霉目 Archaeosporales 4.28% 地管囊霉科 Geosiphonaceae 0.01% 双型囊霉科 Ambisporaceae 2.05% 原囊霉科 Archaeosporaceae 2.22% 多样孢囊霉目 Diversisporales 0.98% 巨孢囊霉科 Gigasporaceae 0.33% 无梗囊霉科 Acaulosporaceae 0.57% 和平囊霉科 Pacisporaceae 0.02% 多样孢囊霉科 Diversisporaceae 0.07% 注:百分数为各目、科在所有样品中所占比例。
Notes: The percentages indicating the proportion of each order and family in all samples.表 2 油茶不同品种根际土壤AM真菌α多样性指数
Table 2. Alpha diversity index of AM fungi in the rhizosphere soil of different cultivars of Camellia oleifera
品种 Cultivar 辛普森指数(×100)Simpson index(×100) Chao 1指数 Chao 1 index ACE指数 ACE index 香侬指数 Shannon index CL3 81.61±7.67 364.01±42.41 370.50±43.17 4.70±0.56 CL4 87.59±2.76 218.74±39.49 220.51±39.62 4.57±0.31 CL53 91.26±1.81 337.09±53.75 344.70±55.72 5.25±0.36 GW84-8 92.54±1.28 318.25±39.05 320.74±37.03 5.38±0.35 GX48 93.08±1.69 358.64±52.17 364.36±54.04 5.43±0.36 0.23NS 0.20NS 0.18NS 0.43NS 注:表中 NS表示无显著差异。
Notes: NS indicating no significant difference. -
[1] 杨 抑. 中国油茶起源初探[J]. 中国农史, 1992,(3):74-77. [2] 李 宁, 贺均林, 王 敏. 山茶油的药理活性及专利应用[J]. 广州化工, 2013, 41(10):30-33. doi: 10.3969/j.issn.1001-9677.2013.10.013 [3] 罗跃中, 李忠英, 陈杰山, 等. 茶籽壳酸水解活性炭脱毒发酵生产木糖醇工艺研究[J]. 广东化工, 2015, 42(23):100-102. doi: 10.3969/j.issn.1007-1865.2015.23.045 [4] 秦声远, 戎 俊, 张文驹, 等. 油茶栽培历史与长江流域油茶遗传资源[J]. 生物多样性, 2018, 26(4):384-395. doi: 10.17520/biods.2017254 [5] 邓小军, 周国英, 刘君昂, 等. 湖南油茶林丛枝菌根真菌多样性及其群落结构特征[J]. 中南林业科技大学学报, 2011, 31(10):38-42. doi: 10.3969/j.issn.1673-923X.2011.10.007 [6] 刘永俊. 丛枝菌根的生理生态功能[J]. 西北民族大学学报:自然科学版, 2008, 29(1):54-59. [7] 冯 固, 张福锁, 李晓林, 等. 盖京苹.丛枝菌根真菌在农业生产中的作用与调控[J]. 土壤学报, 2010, 47(5): 995-1004 [8] 郭绍霞, 刘润进. 不同品种牡丹对丛枝菌根真菌群落结构的影响[J]. 应用生态学报, 2010, 21(8):1993-1997. [9] Jiang S J, Liu Y J, Luo J J, et al. Dynamics of arbuscular mycorrhizal fungal community structure and functioning along a nitrogen enrichment gradient in an alpine meadow ecosystem[J]. New Phytologist, 2018, 220(4): 1222-1235. doi: 10.1111/nph.15112 [10] Helgason T, Merryweather J W, Denison J, et al. Selectivity and functional diversity in arbuscularmycorrhizas of co-occurring fungi and plants from a temperate deciduous woodland[J]. Journal of Ecology, 2002, 90(2): 371-384. doi: 10.1046/j.1365-2745.2001.00674.x [11] 杨海水, 熊艳琴, 王 琪, 等. AM真菌物种多样性: 生态功能、影响因素及维持机制[J]. 生态学报, 2016, 36(10):2826-2832. [12] Mao L, Liu Y, Shi G, et al. Wheat cultivars form distinctive communities of root-associatedarbuscular mycorrhiza in a conventional agroecosystem[J]. Plant and Soil, 2014, 374(1-2): 949-961. doi: 10.1007/s11104-013-1943-2 [13] 吴强盛. 园艺植物丛枝菌根研究与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2010 [14] McGonigle T P, Miller M H, Evans D G, et al. A new method which gives an objective measure of colonization of roots by vesicular-arbuscular mycorrhizal fungi[J]. New Phytologist, 1990, 115(3): 495-501. doi: 10.1111/j.1469-8137.1990.tb00476.x [15] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 2000 [16] 方洛云, 周先林. SPSS 20.0在生物统计中的应用[M]. 北京: 中国农业大学出版社, 2014 [17] 汤银才. R语言与统计分析[M]. 北京: 高等教出版社, 2008 [18] Schloss P D, Westcott S L, Ryabin T, et al. Introducing mothur: open-source, platform independent, community-supported software for describing and comparing microbial communities[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2009, 75(23): 7537-7541. doi: 10.1128/AEM.01541-09 [19] Caporaso, J. G, Kuczynski, J., Stombaugh, J, et al. QIIME allows analysis of high-throughput community sequencing data[J]. Nature Methods, 2010, 7(5): 335-336. doi: 10.1038/nmeth.f.303 [20] Zhang K, Wang M Y, Liu R J. Arbuscular mycorrhizal fungal life cycle, genetic characteristics and the biological basis of their pure culture[J]. Mycosystema, 2009, 28(2): 310-314. [21] Steinkellner S, Hage-Ahmed K, Jose M, et al. A comparison of wild-type, old and modern tomato cultivars in the interaction with the arbuscular mycorrhizal fungus Glomus mosseae and the tomato pathogen Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici[J]. Mycorrhiza, 2012, 22(3): 189-194. doi: 10.1007/s00572-011-0393-z [22] 苏琍英, 梁秀棠. 广西栽培树种菌根调查初报[J]. 广西植物, 1985, 5(2):127-138. [23] 刘 辉, 陈 梦, 黄引娣, 等. 安徽茶区茶树丛枝菌根真菌多样性[J]. 应用生态学报, 2017, 28(9):2897-2906. [24] Vanden koornhuyse P, Ridgway K P, Watson I J, et al. Co-existing grass species have distinctive arbuscular mycorrhizal communities[J]. Molecular Ecology, 2003, 12(11): 3085-3095. doi: 10.1046/j.1365-294X.2003.01967.x [25] Lekberg Y, Koide R T, Rohr J R, et al. Role of niche restrictions and dispersal in the composition of arbuscular mycorrhizal fungal communities[J]. Journal of Ecology, 2007, 95(1): 95-105. doi: 10.1111/j.1365-2745.2006.01193.x [26] Wang M Y, Hu L B, Wang W H, et al. Influence of long-term fixed fertilization on diversity of arbuscular mycorrhizal fungi[J]. Pedosphere, 2009, 19(5): 663-672. doi: 10.1016/S1002-0160(09)60161-2 [27] Dumbrell A J, Ashton P D, Aziz N, et al. Distinct seasonal assemblages of arbuscular mycorrhizal fungi revealed by massively parallel pyrosequencing[J]. New Phytologist, 2011, 190(3): 794-804. doi: 10.1111/j.1469-8137.2010.03636.x [28] 王庆峰, 姜 昕, 马鸣超, 等. 长期施用氮肥和磷肥对东北黑土丛枝菌根真菌群落组成的影响[J]. 中国农业科学, 2018, 51(17):3315-3324. doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2018.17.007 [29] Likar M, Hančević K, Radić T, et al. Distribution and diversity of arbuscular mycorrhizal fungi in grapevines; from production vineyards along the eastern Adriatic coast[J]. Mycorrhiza, 2013, 23(3): 209-219. doi: 10.1007/s00572-012-0463-x [30] Guo X, Gong J. Differential effects of abiotic factors and host plant traits on diversity and community composition of root-colonizing arbuscular mycorrhizal fungi in a salt-stressed ecosystem[J]. Mycorrhiza, 2014, 24(2): 79-94. doi: 10.1007/s00572-013-0516-9 [31] 李晓林, 冯 固. 丛枝菌根生态生理[M]. 北京: 华文出版社, 2001