生物土壤结皮中解磷微生物群落结构和多样性及其作用研究

论文摘要

荒漠化严重阻碍了全球经济和社会的可持续发展,由荒漠化引发的环境问题已成为全球十大环境问题之一。目前,荒漠化已影响到世界1/5的人口和全球1/3的陆地。在中国,内蒙古是受荒漠化影响较严重的省区之一。生物土壤结皮（Biological soil crusts,BSCs）是荒漠生态环境中的自然景观之一,在荒漠化遏制、植被恢复和荒漠生态系统稳定中扮演重要的角色。BSCs中缺乏磷,生物可利用磷（Bio-available phosphorus,BAP）的含量也较低。BAP的缺乏极大地限制了 BSCs 的形成和发育。解磷微生物（Phosphorus-solubilizing microorganism,PSM）在驱动磷的转化过程中起重要作用,可能对BSCs的形成和发育有重要影响和作用。目前,对解磷微生物的研究主要集中于根际土中,而缺乏BSCs中解磷微生物群落结构和多样性的研究,其对BSCs形成和发育的影响和作用也尚不清楚。本研究采集内蒙古荒漠不同类型BSCs,以高通量二代测序和微生物分离培养的方法对内蒙古荒漠BSCs中解磷微生物群落结构和多样性进行分析,阐述了影响解磷微生物群落结构和组成的环境因子,基于CoNet软件预测解植酸磷细菌群落中的核心物种,通过接种模拟实验验证PSM对BSCs形成和发育的影响和作用,从营养水平和微生物互作等角度初步探究了其可能的作用机制。本研究得到以下结果:1.内蒙古库布齐沙漠东部BSCs中解植酸磷细菌丰富度和多样性低。在二类BSCs中,苔藓结皮层解植酸磷细菌丰富度和多样忡最高,丰富度指数和多样性指数分别为1214.89和4.64:大部分解杭酸磷细菌为不可培养细菌（90%）,其余主要为 Proteobacteria 和 Actinobacteria。在 Proteobacteria 中,多数为α-Proteobacteria,少量为 β-Proteobacteria 和 γ-Proteobacteria,包括Brevundimonas、.Microvirga、Pseudomonas、Novosphingobium、Streptomyces 和 Sphingomonas 等29个属。在藻结皮中,以Microvirga居多;在地衣结皮中,优势属为Brevundimonas而在苔藓结皮中,优势属为 Streptomyces。Brevundimonas、Microvirga、Streptomyces和Sphingomonas在三类BSCs层中的相对丰度均高于相应的下层土壤。在属水平,Novosphingobium、Singulisphaera、Streptomyces 和 Aeromicrobium 是植酸磷细菌群落中的核心物种。速效磷（Available phosphorus,AP）是影响解植酸磷细菌群落结构和组成的主要环境因子。2.分离得到230株解磷酸钙-磷细菌（Bacillus、Sphingomonas和Pseudomonas为优势菌）和25株解磷酸钙-磷真菌（Trihoderma为最优势菌）。细菌解磷酸钙-磷和植酸钙-磷能力分别为0.15～38.05 μg/mL和2.83～78.89 IU/mL,真菌解磷酸钙-磷和植酸钙-磷能力分别为0.43～7.31 μg/mL和89.00～96.32 IU/mL;真菌解磷酸钙-磷能力低于细菌,但其解植酸钙-磷能力远远高于细菌。Bacillus、Sphingomnas、Pseudomonas和Trichoderma同时具有解磷酸钙-磷和植酸钙-磷能力,这可能是这些物种成为BSCs中优势菌的原因之一。3.接种实验结果表明,230株细菌和25株真菌中分别有13株细菌和1株真菌对BSCs的形成和发育具有较明显的促进效果;而其中的5株菌,即编号为PD3、Bbqt10、NJT15-9、Bbqz14 和 TZ1-1（TZ1-1 为真菌,其余为细菌）的效果最突出,它们分别属于Bacillus、Sphingomonas和Trichodwals和复合添加磷矿粉（磷酸钙-磷）和植酸钙的进一步接种研究发现,分别接种这5株菌后,形成的 BSCs 厚度较 CK 提高了 12.11%～130.10%;土壤 OM、Ch1 a、AP 和 AN的含量较 CK 分别提高了 25.78%～218.34%、12.11%～89.22%、16.18%～61.67%和34.18%～365.86%:土壤磷酸酶和植酸酶活力分别较CK提高了 34.56%～81.86%和26.79%～31.40%。接种后的微生物群落结构发生明显变化,门水平上,Proteobacteria（57.59%～89.19%）、Ascomycota（70.94%～99.15%）和 Ochrophyta（0.03%～37.79%）的相对丰度增加;属水平上,Methylophilus（3.61%～20.37%）、Meyerozyma（0.08%～89.86%）、Ochromonas（0.03%～43.61%）和Filamoeba（0.18%～38.56%）的相对丰度也增加;接种引起细菌16S rRNA基因、固氮菌nifH基因和蓝藻16S rRNA基因拷贝数显著增加,表明接种解磷微生物可能促进了细菌、固氮菌和蓝藻的生长,从而促进BSCs的形成和发育。而细菌和真菌同时接种的结果表明,相比单接细菌或真菌,其促进效果更加明显。综上,内蒙古荒漠BSCs中解植酸磷细菌多样性偏低,多为不可培养细菌;而解磷酸钙-磷细菌多样性较高,且优势菌同时具有解磷酸钙-磷和解植酸钙-磷能力,其促进BSCs形成和发育的效果明显。本研究为认识和利用荒漠BSCs中解磷微生物提供了基础理论依据和实践材料。

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摘要

Abstract

缩略语表

第一章绪论

1 生物土壤结皮

1.1 生物土壤结皮的定义、类型及演替变化

1.2 生物土壤结皮的生态功能

1.3 微生物在生物土壤结皮形成和发育中的作用

2 土壤中磷的种类和解磷微生物

2.1 磷的种类

2.2 解磷微生物的种类、应用及其解磷机制

2.2.1 解磷微生物的种类

2.2.2 解磷微生物的应用

2.2.3 解磷微生物的解磷机制

3 研究内容、目的及意义

4 本研究技术路线

第二章生物土壤结皮中解植酸磷细菌群落结构和多样性

1 研究背景

2 材料与方法

2.1 材料

2.1.1 生物土壤结皮样品

2.1.2 实验仪器和试剂

2.2 实验方法

2.2.1 样品采集

2.2.2 土壤理化性质测定

2.2.3 微生物群落结构和组成分析

2.2.4 生物信息学分析

3 结果与分析

3.1 土壤理化性质

3.2 解植酸磷细菌群落结构和多样性

3.2.1 样品序列数

3.2.2 稀释曲线

3.2.3 多样性分析

3.2.4 群落结构和组成分析

3.2.5 环境因子对群落结构和组成的影响

3.2.6 共现性网络分析

4 讨论

4.1 生物土壤结皮中解植酸磷细菌群落结构和核心物种

4.2 影响群落结构和组成的环境因子

5 结论

第三章生物土壤结皮中可培养解磷酸钙-磷微生物的多样性及其解磷能力

1 研究背景

2 材料与方法

2.1 材料

2.1.1 生物土壤结皮样品

2.1.2 实验仪器和药品

2.2 方法

2.2.1 生物土壤结皮样品采集

2.2.2 解磷酸钙-磷微生物的分离鉴定

2.2.3 真菌孢子培养

2.2.4 微生物保藏

2.2.5 菌株解磷能力测定

3 结果分析

3.1 解磷酸钙-磷细菌的分离鉴定

3.2 解磷酸钙-磷真菌的分离鉴定

3.3 菌株解磷能力

3.3.1 解磷酸钙-磷能力

3.3.2 解植酸钙-磷能力

4 讨论

4.1 内蒙古荒漠BSCs中可培养解磷酸钙-磷微生物的多样性

4.2 解磷微生物的解磷能力

4.3 生物可利用磷和培养液pH相关性

5 小结

第四章解磷微生物对生物土壤结皮形成和发育的影响

1 研究背景

2 材料与方法

2.1 材料

2.1.1 实验仪器和试剂

2.1.2 菌株

2.2 方法

2.2.1 Microcoleus sp. MDM25的分离鉴定

2.2.2 菌悬液制备

2.2.3 基质处理

2.2.4 磷矿粉和植酸钙添加量优化

2.2.5 接种培养和取样

2.2.6 土壤理化指标测定

2.2.7 土壤酶活力测定

2.2.8 高通量测序

2.2.9 生物信息学分析

2.2.10 实时荧光定量PCR （Quantitative Real-time PCR,qPCR）

2.2.11 菌株解磷矿粉-磷和卵磷脂-磷能力

3 结果与分析

3.1 Microcoleus sp. MDM25的分离鉴定

3.2 磷矿粉和植酸钙添加量的优化

3.3 促进BSCs形成和发育解磷微生物菌株的初步筛选

3.4 菌株解磷矿粉-磷和卵磷脂-磷能力

3.5 接种PD3对BSCs形成和发育的影响

3.5.1 PD3对BSCs表观的影响

3.5.2 PD3对BSCs理化性质的影响

3.5.3 PD3对BSCs酶活力的影响

3.5.4 PD3对BSCs微生物群落结构和组成的影响

3.5.5 环境中细菌、蓝藻和固氮菌丰度

3.6 接种Bbqt10对BSCs形成和发育的影响

3.6.1 Bbqt10对BSCs理化性质的影响

3.6.2 Bbqt10对BSCs中微生物群落结构和组成的影响

3.7 接种NJT15-9对BSCs形成和发育的影响

3.8 接种Bbqz14对BSCs形成和发育的影响

3.9 解磷真菌对BSCs形成和发育的影响

4 讨论

4.1 解磷微生物对BSCs理化性质的影响

4.2 解磷微生物对土壤微生物组成和群落结构的影响

4.3 土壤理化性质对微生物群落结构和组成的影响

5 结论

第五章总结

5.1 讨论

5.2 结论

5.3 不足和展望

致谢

参考文献

附录

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 贾丽娟

导师: 冯福应

关键词: 高通量二代测序,微生物分离和培养,解植酸磷细菌,解磷酸钙磷细菌,解磷酸钙磷真菌

来源: 内蒙古农业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 内蒙古农业大学

基金: 国家自然科学基金(31560030),内蒙古自治区科技创新引导项目(2017),内蒙古自治区自然科学基金(2018MS03042),中央引导地方科技发展专项基金(2017)

分类号: Q938.1

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