沿海盐渍生境下菊芋根际微生物组成和功能分析

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土壤盐渍化是一个全球性问题,高效利用与改良盐渍化土壤,寻找适合在盐渍土上生长并能推广种植的经济作物,对保障国家耕地、粮食和环境具有重要战略意义。菊芋(Helianthus tuberosus L.)是一种具有生物质提炼潜力、能在盐渍土上生长的菊科向日葵属植物。目前,菊芋的研究主要集中在栽培和生物质的提取开发上,其对土壤的改良机制尚不明确。本研究使用微生物组学的研究手段,研究了种植“南菊芋一号”对大丰自然保护区盐渍土的改良作用、尤其对盐渍土微生物的结构与功能的影响,取得了以下成果:1、评估了种植菊芋对盐渍土的改良效果:(1)大多数土壤特性(土壤盐度、pH、水分、有机质、溶解有机碳、碱性磷酸酶活性、过氧化氢酶活性、蔗糖酶活性、HCO3-、Cl-、Mg2+、Ca2+、SO42-、Na+、K+、有效钾、有效磷、TB、TCu、TFe、TMn、TK、TCa、TNa、TMg和TP)得到了显著的改善;(2)显著提高土壤微生物的多样性。2、通过2种微生物组测序方法研究了种植菊芋对盐渍土壤微生物结构与功能的改变:(1)扩增子测序测得了 7868个非冗余OTU,宏基因组测到了 723,849条完整的微生物基因;(2)构建了以门水平上的Proteobacteria,Acidobacteria,Chloroflexi,Verrucomicrobia,Gemmatimonadetes,Nitrospirae,Planctomycetes和Actinobacteria为主体的微生物群落结构模型;(3)利用不同数据库注释了微生物基因功能,其中,85,535个、1,794,872个、1,901,648个和3114个基因分别注释到了 CAZy数据库、eggNOG数据库、KEGG数据库和CARD数据库,进一步分析表明,低盐环境中的根际土壤和非根际土壤样品之间的基因功能存在显著差异,而高盐环境中差异大多不明显;(4)WGCNA分析筛选出了大量与盐胁迫相关的微生物,其中,古细菌发挥着关键的作用;(5)探讨环境因素与微生物丰度和多样性相关性时发现:与微生物丰度数据高度相关的环境因素为过氧化氢酶,土壤含水率,有效磷,蔗糖酶,碱性磷酸酶,盐度,Mg2+和HCO3-,其中过氧化氢酶活性和含水率与扩增子测序获得的微生物丰度结果的相关性最强,而含水率,碱性磷酸酶,有机质含量,K+,总K和HCO3-与宏基因组测序获得的微生物丰度高度相关。3、通过宏基因组序列分箱再拼接的方法构建了 2种微生物的基因组草图:(1)获得了两个集合Bin 606和Bin 836,其基因组完整性皆为77.6%,GC含量分别为68.1%和56.8%,满足基因组组装和后续分析的要求;(2)通过NR数据库的注释,鉴定了这2种微生物分别属于芽孢杆菌属Gemmatimonas和硝化螺旋菌属Nitrospira;(3)RDA分析表明,5个环境因子(有机物、碱性磷酸酶、K+、蔗糖酶和SO42-)显著影响着芽孢杆菌属Gemmatimonas和硝化螺旋菌属Nitrospira 的分布。以上结果将为沿海滩涂的植物改良提供理论依据。
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