野生小熊猫主食竹叶围细菌的年际变化.pdf
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1、2023四川林业科技编辑部开放科学(资源服务)标识码(OSID):研究报告Jun.Journal of Sichuan Forestry Science and Technology20232023年6月No.3Vol.44,第3 期第4 4 卷四川林业科技野生小熊猫主食竹叶围细菌的年际变化李毅,张泽钧,康力文,王佳,侯怡薇,洪明生西南野生动植物资源保护教育部重点实验室,西华师范大学生命科学学院,四川南充6 3 7 0 0 92023-02-28收稿,2 0 2 3-0 3-16 网络版发表基金项目国家自然科学基金(3 19 0 0 3 3 7)李毅(19 9 8),女,硕士,14 4 9 3
2、 8 9 3 4 9 *通信作者摘要竹叶作为竹林健康状况的重要指示器官,是竹子叶围微生物生存繁衍的重要场所,同时也是病原微生物入侵的重要入口,进而会影响野生小熊猫的健康状况。为了探究野生小熊猫主食竹叶围细菌的年际变化,本文以四川美姑大风顶国家级自然保护区的熊竹(Yushaniaailuropodina)为研究对象,通过高通量测序技术探究了熊竹叶围细菌组成、多样性、群落结构的年际变化。研究发现,熊竹叶围细菌11月份OTUs最丰富,且OTUs丰富度秋冬季高于春夏季。12 个月份的优势门均为变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidota)和酸杆菌门(Acidobacte
3、riota),夏季(6 月一8 月)的变形菌门(Proteobacteria)相对丰度高于其他月份,但拟杆菌门的相对丰度低于其他月份。夏季(6 月一8 月)假单胞菌属(Pseudomonas)的相对丰度明显高于其他月份,但117 4-901-12的相对丰度低于其他月份。秋季(9 月一11月)和冬季(12 月一2 月)小熊猫主食竹熊竹叶围细菌的丰富度(Sobs index)和多样性(Shannon index)高于其他季节;群落结构(un)weightedUnifracdistances在不同月份间存在一定的差异,其中夏季(6 月一8 月)的weightedUnifrac距离显著大于其他月份。本
4、研究表明小熊猫主食竹叶围微生物丰富,其组成、多样性、群落结构具有明显的年际变化规律,且主要受季节的影响。本研究可为小熊猫主食竹资源的科学管理提供支撑,为野生小熊猫保护措施的科学制定提供参考依据。关键词小熊猫;熊竹;叶围细菌;多样性;年际变化小熊猫(Ailurusfulgens)属食肉目动物,特化为以竹子为生,其食谱中竹叶占比约为8 0%9 8%l15,具有突出的科学研究价值。它们主要分布于我国四川、云南和西藏,少数分布于尼泊尔、不丹、缅甸等国,是我国国家级重点保护野生动物,由于它们分布狭窄,数量日趋减少,因而受到国内外学者的关注 2 。从全球来看,中国是小熊猫的集中分布区,约有6 4 0 0
5、7 6 0 0 只 3 。第四次全国大熊猫调查显示,各大熊猫分布山系的小熊猫适宜栖息地和第三次大熊猫调查相比面积普遍增长,其中邛崃山系增加3 0 12.9 3 km、大相岭山系增加12 9 1.2 9 km、小相岭山系增加50 2.7 2 km、?山山系增加50 9.17 km4;其中,?山山系增加面积占?山山系总面积的10.84%,四川美姑大风顶国家级自然保护区是?山山系野生小熊猫种群的主要分布区之一 4 。在不同的地区小熊猫偏爱的竹子种类不同,例如,在卧龙自然保护区,它们主要采食冷箭竹和拐棍竹;在冶勒自然保护区,它们主要采食峨热竹;在马边大风顶自然保护区,它们主要采食大叶筑竹 7。四川美姑
6、大风顶国家级自然保护区位于四川省?山彝族自治州美姑县城东北,总面积为50 6 55hm,其中核心区3 10 9 7.5hm,缓冲区17 18 5hm,实验区2372.5hm。保护区属森林生态系统类型自然保护区,主要保护对象为大熊猫、小熊猫等珍稀野生动植物及其栖息环境。保护区属深切割中山地貌类型,地势由西南向东北倾斜,海拔13 56 4 0 4 2 m,引用格式:李毅,张泽钧,康力文,等.野生小熊猫主食竹叶围细菌的年际变化 J.四川林业科技,2 0 2 3,4 4(3):4 5-53.LI Y,ZHANG Z J,KANG L W,et al.Interannual variation of b
7、acteria communities in red pandas foraging bamboos phyllosphereJJ.Journalof Sichuan Forestry Scienceand Technology,2023,44(3):45-53.doi:10.12172/202302280001.462023年四川林业科技第4 4 卷第3 期垂直高差2 6 8 6 ml7。保护区内竹子分布的海拔范围为13 56 3 7 7 0.8 6 m,该区小熊猫主要采食的竹子有熊竹(Yushania ailuropodina)和冷箭竹(Arundinariafaberi)。其中熊竹分布的
8、面积最大,主要分布于大风顶、维核洛区域,在海拔13 56 2 8 2 0.7 5m间生长,面积达16 9 8 8 hm8,是该保护区小熊猫全年采食的竹种。近年来对小熊猫的研究主要集中在肠道微生物、行为、繁殖生态学等方面 9 ,前人研究发现,食性对调节肠道微生物群的结构和功能起着很重要的作用,进而影响小熊猫的健康状况10)。竹叶作为竹林健康状况的重要指示器官,是竹子叶围微生物生存繁衍的重要场所,同时也是小熊猫病原微生物人侵的重要载体 5,进而会影响小熊猫肠道微生物的稳态,甚至是肠道疾病。叶围微生物又可称为叶表微生物、叶面微生物 。在全球尺度下,叶围细菌总数多达10 2 6 个,其中微生物密度在1
9、0 至10 7 个cm。叶围微生物是植物微生物组的重要组成部分,其在促进植物生长、保护植物不受外部病原菌侵害及参与植物碳氮循环中起重要作用 12 。影响叶围微生物的因素很多,如CO2含量、大气污染、降雨量等,研究发现CO2对水稻不同生长阶段的叶围细菌群落结构有明显的影响,在灌浆期,群落结构对CO2的反应最为明显 13 。降雨刺激蕨类植物叶围某些细菌种群并改变整个群落结构和活动14 。海拔、温度和湿度也会对叶围微生物造成影响,在四川栗子坪国家级自然保护区内,随着海拔的升高竹叶叶围细菌多样性和丰富度也在下降,秋季叶围细菌的丰度和多样性高于春季 15。因此,本研究以四川美姑大风顶国家级自然保护区的熊
10、竹为研究材料,通过逐月收集竹叶样品和高通量测序技术,探究熊竹叶围细菌的组成、多样性、群落结构的年际变化,揭示叶围微生物年际变化的主要环境影响因素和特点,以期为小熊猫主食竹资源的管理提供参考,为野生小熊猫保护措施的科学制定提供依据。1研究方法1.1样品的收集和处理于2 0 2 1年9 月至2 0 2 2 年8 月在四川美姑大风顶国家级自然保护区,逐月在小熊猫采食的地点采集熊竹竹叶样品,每月收集9 10 份,全年共118 份样品。收集时用无菌手套采集混合竹叶2 0 0 g,装人无菌密封袋,立即运回实验室(2 h内),进行叶围微生物的富集,菌泥的洗脱、收集等,收集的菌泥于-80保存,以备提取基因组D
11、NA16。将获得的菌泥根据 OMEGA Stool DNA Kit(Omega Bio-tek,Norcross,GA,U.S.)说明书进行菌泥微生物群落总基因组DNA抽提,使用1%的琼脂糖凝胶电泳检测抽提的基因组DNA的质量,使用NanoDrop2000(美国ThermoScientific公司)测定DNA浓度和纯度。1.216SrRNA扩增子测序以上述提取的DNA为模板,使用携带Barcode序列的上游引物2 7 F(5-AGAGTTTGATCCTGGCT-CAG-3)和下游引物53 3 R(5-T IA CCG IICT ICT G G-CAC-3)17对16 SrRNA基因V1-V3可
12、变区进行PCR扩增,扩增程序如下:9 5预变性3 min,2 7 个循环(9 5变性3 0 s,55退火3 0 s,7 2 延伸3 0 s),然后7 2 稳定延伸10 min,最后在4 进行保存。每个样本3 个重复。将同一样本的PCR产物混合后使用2%琼脂糖凝胶回收PCR产物,利用AxyPrepDNA Gel Extraction Kit(Axygen Biosciences,UnionCity,CA,USA)进行回收产物纯化,2%琼脂糖凝胶电泳检测,并用QuantusTMFluorometer(Promega,USA)对回收产物进行检测定量,最后利用Illumina公司MiseqPE300平
13、台进行测序。1.3序列分析和数据分析使用UPARSE软件(v7.1),根据9 7%的相似度对质控拼接后的序列进行操作分类单元OTU(Operational taxonomic unit)聚类并剔除嵌合体 18-19 。去除所有样品中注释到的叶绿体和线粒体序列。为了尽量减少测序深度对后续Alpha多样性和Beta多样性数据分析的影响,将所有样本序列数进行抽平。利用RDPclassifier(v2.11)比对Silva16SrRNA基因数据库(v138)进行OTU物种分类学注释,置信度阈值为9 7%,并在不同物种分类水平统计每个样本的群落组成 2 0 。使用mother(v1.30.1)基于OTU
14、s数据计算了Shannon指数和Sobs指数。采用Wilcoxon秩和检验(P0.05)确定不同月份的多样性指数是否存在显著差异。采用基于加权/未加权UniFrac距离的主坐标分析(Principal coordinates analysis,PCo A),比较不同月份间叶围细菌群落结构的异同,并使用ANOSIM分析检验其差异性水平 2 147李毅,等:野生小熊猫叶围细菌的年际变化研究报告2结果2.1熊竹叶围细菌OTUs的年际变化所有118 个样本共获得优化序列58 2 6 7 7 5条,平均序列长度4 51bp。去除叶绿体(Chloroplast))和线粒体(Mitochondria)的序列
15、后,按最小序列数抽平,得到13 0 56 7 0 条细菌16 SrRNA有效基因序列。按照9 7%相似性聚类,共获得3 6 9 0 个OTUs,12 个月份共享6 52 个OTUs(见图1),占总数OTUs的17.67%。其中11月OTUs最丰富(2 52 4),8 月最低(1458),其他月份从大到小依次是12 月(2 4 0 8),2月(2 2 9 1),9 月(2 2 4 4),10 月(2 18 5),1月(2 0 6 5),3月(2 0 17),7 月(18 7 7),6 月(18 58),4 月(18 3 7),5月(16 6 1)(见图2)。整体来看,OTU数量从2 0 2 1年
16、9 月份至2 0 2 2 年8 月份呈下降趋势,秋季(9 月一11月)和冬季(12 月一2 月)小熊猫主食竹熊竹叶围细菌的OTUs高于春季(3 月一5月)和夏季(6 月一8月)。2.2熊竹叶围细菌组成的年际变化118个熊竹样品细菌OTUs隶属于2 4 门,53 纲,141目,2 4 5科,52 3 属。在门水平上,相对丰度小于1%且在该水平上没有注释结果的细菌归于Others.变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacter-MayApr.Jun.11(0.30%)1210(0.33%)(0.27%)Mar.Jul.18(0.49%)25(0.68%)24652Feb.(0.6
17、5%)35Aug.(17.67%)(0.95%)34(0.92%)57(1.54%)Jan.Sep.70(1.90%)2360(0.62%)(1.63%)Dec.Oct.Nov.图1不同月份熊竹叶围细菌共享OTUs数量的韦恩图Fig.1Venn diagram of phyllosphere bacteria OTUs of Y.ailuropodina among different months3000125242.4082.2442.18522912.06520172.000+1837185818771661145810000Sep.Oct.Nov.Dec.Jan.Feb.Mar.Apr
18、.MayJun.Jul.Aug.2021年2022年图2 2 0 2 1年9 月至2 0 2 2 年8 月间各月份熊竹叶围细菌OTUs数量Fig.2Number of phyllosphere bacteria OTUs of Y.ailuropodina from September 2021 to August 2022482023年第4 4 卷四川林业科技第3 期oidota)和酸杆菌门(Acidobacteriota)占绝对优势,其总相对丰度大于8 5%(见图3)。然后依次是Planc-tomycetes、放线菌门(Actinobacteria)、A r ma t i mo n-ado
19、ta、D e i n o c o c c o t a 和厚壁菌门(Firmicutes)等。从不同月份上来看,6 月变形菌门(Proteobacteria)相对丰度最高(8 1.0 8%),5月最低(52.6 3%)。5月拟杆菌门(Bacteroidota)相对丰度最高(2 8.4 6%),8 月最低(6.05%)。2 月酸杆菌门(Acidobacteriota)相对丰度最高(19.0 3%),7 月最低(4.3 7%)。在属水平上,将相对丰度小于5%且该水平没有注释结果的细菌归于Others后发现,假单胞菌属、1174-901-12属、嗜酸菌属(Acidiphilium)、薄层菌属(Hyme
20、nobacter)、鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)为优势属,然后依次是Terriglobus属、Granulicella属、Unclassified-f-Acetobacteraceae、M e t h y l o c e l l a 属(见图4)。从不同月份看,其中6 月假单胞菌属相对丰度最高(50.55%),4 月最低(0.7 1%);3 月的117 4-901-12相对丰度最高(2 4.3 9%),7 月最低(3.55%);5月的嗜酸菌属(Acidiphilium)相对丰度最高(2 0.3 9%),7月最低(2.3 5%)。上述结果表明,全年12 个月份的优势门都为变形菌门(
21、Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidota)和100OthersFirmicutesDeinococcota80Unclassified_k_norank_dBacteriaArmatimonadotaActinobacteriota60PlanctomycetotaAcidobacteriotaBacteroidotaProteobacteria4020Sep.Oct.Nov.Dec.Jan.Feb.Mar.Apr.May Jun.Jul.Aug.2021年2022年图3 熊竹叶围细菌不同月份在门水平上的相对丰度(%)Fig.3Relative abundance o
22、f Y.ailuropodina phyllosphere bacteria at the phylum level among different months10080OthersMethylocellaUnclassifiedf_AcetobacteraceaeGranulicella60TerriglobusSphingomonasHymenobacterAcidiphilium401174-901-12Pseudomonas200Sep.Oct.Nov.Dec.Jan.Feb.Mar.Apr.May Jun.Jul.Aug.2021年2022年图4 熊竹叶围细菌不同月份在属水平上的相
23、对丰度(%)Fig.4Relative abundance of Y.ailuropodina phyllosphere bacteria at the genus level among different months49李毅,等:野生小熊猫食竹叶围细菌的年际变化研究报告酸杆菌门(Acidobacteriota),且6 一8 月变形菌门(Proteobacteria)相对丰度高于其他月份,但是拟杆菌门(Bacteroidota)的相对丰度低于其他月份。6 8 月假单胞菌属的相对丰度明显高于其他月份,但是68月117 4-9 0 1-12 的相对丰度低于其他月份。2.3熊竹叶围细菌Alpha
24、多样性的年际变化整体上看,从2 0 2 1年9 月份至2 0 2 2 年8 月份熊竹叶围细菌Sobs指数呈现下降趋势,但是不同月份之间无显著差异(见图5)。11月份的Sobs指数最高,6 月最低,秋季(9 月一11月)和冬季(12 月一2月)叶围细菌Sobs指数大于春季(3 月一5月)和夏季(6 月一8 月)(见图5)。就Shannon指数而言,不同月份之间无显著差异,与Sobs指数结果相似,整体呈下降趋势,其中11月的Shannon指数最高,6月最低,秋季(9 月一11月)和冬季(12 月一2月)叶围细菌Shannon指数大于春季(3 月一5月)和夏季(6 月一8 月)(见图6)。根据上述结
25、果可以发现,秋季(9 月一11月)和冬季(12 月一2 月)叶围细菌的丰富度和多样性均高于春季(3 月一5月)和夏季(6月一8 月)。2.4熊竹叶围细菌群落结构的年际变化PCoA 分析(Principal coordinates analysis)是群落多样性分析中常用的一种非约束性的数据降维分析方法,可用来研究样本群落组成的相似性或差异性。基于OTU水平unweightedUnifrac距离的PCoA分析矩阵数据发现,11月份群落距离显著低于其他月份(见图7);而基于weightedUnifrac距离矩阵数据,10 和11月显著低于6 8 月(见图8)。在基于unweighted Unifr
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