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自生固氮功能细菌是指在常温常压环境中可以将空气中的氮气转化为植物可以吸收的铵态氮的一类细菌,由其所执行的生物固氮过程是土壤中重要的生态过程,也是生态系统最初的氮素来源[1]。功能性细菌具有较高的研究价值,首先,固氮功能细菌分布广泛,从温带生态系统到热带雨林均有分布[2-3];其次,自生固氮功能细菌不需要特定的寄主,在微生物肥料的研究中被大量应用[4-5]。在生产实践中,保障功能菌株发挥作用的重要前提是菌株的良好生长,且符合适地适菌原则,所以,研究功能菌株的生长特性具有重要意义。
本研究中,通过限氮培养基大量收集土壤中的自生固氮功能细菌,根据菌落形态特征进行基础筛选,并验证了菌种的nifH基因,共得到固氮功能细菌103株。本研究以103株菌株为研究对象,以培养基的pH值及培养温度为考量指标,研究自生固氮功能细菌的生长特性,并对各菌株进行16S rDNA测序,初步进行菌种鉴定。本研究的目的为:探讨应用各固氮功能菌株的适宜地域及季节,为固氮微肥的使用提供指导;根据功能细菌生长指标的跨度分析,筛选极端环境菌株;根据生长特性差异将自生固氮菌株进行分类,并研究生长特性与菌株系统发生位置的关系。
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采集试验区杉木林地中的土壤,通过限氮培养基筛选出具有固氮功能的细菌菌株220株。对筛选出的菌株进行初步的分离纯化,提取纯化菌株的DNA。对纯化菌株的DNA进行基因水平的检测-nifH基因检测,根据电泳条带共得到固氮功能菌株103株,其菌株编号分别为:1001、1002、1003、1004、1005、1006、1008、1009、1010、1011、1012、1013、1014、1015、1016、1017、1018、1019、1020、1021、2001、2002、2004、2006、2007、2010、2011、2012、2013、2014、2015、2016、2018、2019、2020、2021、2022、2023、2024、2025、2026、2027、2028、2029、2030、2031、2032、2033、2107、3-a、3-b、3-c、3-d、3-e、3-f、3-i、3-j、3-k、3-l、3-m、3-n、3-o、3-p、3-q、3-r、3-s、4001、4002、4003、4005、4006、4007、4008、4010、6001、6002、6003、6004、6005、6006、6007、6008、6009、6010、7001、7002、7004、7006、7008、7009、7010、7012、7014、7015、zk3-1、09ul27、09ul8、lk3-3fh2、lk3-1fh1、lk2-1c(2)、lk1-2a(1)、lk1-2f、lkhfh(图 1)。
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各菌株的生长特性(图 2)表明:28℃、pH=7为大部分菌株的最适生长条件;各菌株适宜的生长区温度为20、28、37℃;大量菌株生长的适宜pH值为5~7。研究还发现:部分菌株可以在高温(45、50℃)或低温(10℃)条件下生长良好,也有部分菌株可以在极碱性环境(pH=11和12)或酸性环境(pH=3)下生长。
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由图 2可知:在4℃培养时,菌株生长均极其缓慢,培养后OD600值均小于0.05;10℃培养后,OD600值大于0.1的菌株有20株,而生长良好、OD600>0.2的菌株有7株(表 1)。在60℃培养后,能生长的菌株有11株,OD600>0.1的有7株(表 1)。在pH=3的极酸性培养基中,OD600>0.1的菌株有26株,而生长良好、OD600>0.2的菌株有11株;在pH=12的极碱性培养基中,OD600>0.2的菌株有26株(表 2)。由表 1、2可知:在低温、碱性土中适用的菌株为6003,在高温、碱性土中适用的菌株有09ul27、1010、2024、2029、7002、lk2-1c(2)和zk3-1,在酸性及碱性土中均适宜生长的菌株为1012和2025。
菌株编号Number 10℃ 1008 0.335±0.060 3-n 0.621±0.056 3-s 0.439±0.011 4007 0.518±0.058 6003 0.523±0.095 7015 0.262±0.021 lk1-2f 0.480±0.047 09ul27 0.188±0.013 1010 0.173±0.021 2024 0.105±0.014 2029 0.157±0.002 7002 0.113±0.011 lk2-1c(2) 0.101±0.016 zk3-1 0.106±0.005 Table 1. The growth of special bacteria in pH=7 and extreme culture temperature(OD600值)
菌株编号
NumberpH=3 pH=12 菌株编号
NumberpH=12 1002 0.208±0.025 - 6003 0.414±0.012 1012 0.361±0.012 0.219±0.009 09ul8 0.587±0.020 2004 0.299±0.001 - 1014 0.385±0.005 2010 0.442±0.017 - 1017 0.567±0.081 2025 0.247±0.015 0.275±0.090 1021 0.201±0.028 2026 0.267±0.015 - 2002 0.320±0.019 4003 0.307±0.024 - 2030 0.443±0.005 4008 0.274±0.009 - 2107 0.380±0.020 6004 0.256±0.050 - 3-m 0.246±0.014 6005 0.204±0.006 - 3-p 0.385±0.017 7004 0.236±0.033 - 6001 0.288±0.009 09ul27 - 0.268±0.015 6006 0.502±0.010 1010 - 0.379±0.003 6007 0.233±0.003 2024 - 0.384±0.014 6010 0.307±0.051 2029 - 0.214±0.012 7001 0.208±0.007 7002 - 0.209±0.008 7009 0.499±0.011 lk2-1c(2) - 0.297±0.011 lk3-3fh2 0.281±0.010 zk3-1 - 0.327±0.010 Table 2. The growth of special bacteria in T=28℃ and extreme culture pH values(OD600值)
提取上述菌株的DNA,扩增后进行测序分析。通过与NCBI数据库中序列的blast比对,得出09ul27、1010、2024、7002四株菌株的序列相似性大于99%,极可能为Bacillus subtilis Cohn 1872的不同菌株。与6003、2029、lk2-1c(2)、zk3-1、1012、2025相似性最高的菌株分别为:Burkholderia xenovorans Goris et al. 2004、Chitinophaga pinensis V. Sangkhobol & V. Skerman 1981、Bacillus cereus Frankland & Frankland 1887、Bacillus megaterium Dde Bary 1884、Burkholderia phymatum Vandamme et al. 2003、Burkholderia bannensis Aizawa et al. 2011。
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根据菌群不同生长特性, 对所有菌株进行非层次聚类, 使用SSI算法得出最优分类为9类(图 3)。通过K-means及K中心点算法(PAM)2种算法的轮廓宽度检验、验证最优K值(图 4), 其中, K-means的平均轮廓宽度为0.15,而PAM算法的平均宽度值为0.1,所以,最终确定最优分类方法为K-means算法,最佳聚类数量为9类。第一类为:09ul8、1016、2028、2029、3-f、4010、6006、7008;第二类为:09ul27、1001、1011、2024、6001、7010、7012、7015、lk1-2a(1)、lk1-2f、lk2-1c(2)、lk3-3fh2、lkhfh、zk3-1、lk3-1fh1;第三类为:1009、1013、1019、1020、2004、2013、2014、2016、2023、3-q、4002、4008、6005、6008;第四类为:1012、1014、1017、1018、2010、2018、2019、2030、2032、2033、3-r、4006、6002;第五类为:1004、2006、2007、2015、2022、2027、3-a、3-b、3-e、3-i、3-j、3-m、3-s、6010;第六类:1003、1008、1015、2012、2021、3-c、3-d、3-k、3-o、4001、4003、6004、7014;第七类:2025、7009;第八类:1002、1005、1006、1010、1021、2001、2002、2026、2031、2107、3-l、3-n、4005、6007、6009、7001、7002、7004、7006;第九类:2011、2020、3-p、4007、6003。
将各菌株进行16S rDNA测序,检测结果表明:与检测菌株相似性高于97%的菌种有27种, 分别属于Burkholderia Yabuuchi et al. 1992、Bacillus Cohn 1872、Paenibacillus Ash et al. 1994、Escherichia Castellani & Chalmers 1919、Agroboeterium Conn 1942、Pantoea Gavini et al. 1989、Arthrobacter Conn & Dimmick 1947、Chitinophaga V. Sangkhobol & V. Skerman 1981、Rhizobium Frank 1889、Novosphingobium Balkwill et al. 1997、Sphingomonas Yabuuchi 1990、Pseudomonas Migula 1894属,其中,根据生长条件分类的菌株中,第五类和第七类全部属于Burkholderia属,第二类基本为Bacillus属,其它类别中各菌属没有出现明显的聚类现象,且生长条件分类与菌种的初步鉴定分类没有明显的相关性(表 3)。
生长条件分类
Classification of growth conditions该组别初鉴定菌株的属名
The name of preliminary identification strains in genus level1 Burkholderia、Bacillus、Paenibacillus、Chitinophaga 2 Bacillus、Paenibacillus 3 Burkholderia、Bacillus、Arthrobacter、Pseudomonas 4 Burkholderia、Bacillus、Arthrobacter、Chitinophaga 5 Burkholderia 6 Burkholderia、Bacillus、Paenibacillus、Pantoea、Arthrobacter 7 Burkholderia 8 Burkholderia、Bacillus、Escherichia、Agroboeterium、Rhizobium 9 Burkholderia、Bacillus、Sphingomonas Table 3. Preliminary identification of different strains in genus level