大兴安岭优势树种倒木分解的细菌群落组成及多样性差异.pdf
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1、Vol.43 No.9Sep.2023第 43 卷 第 9 期2023 年 9 月中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 Journal of Central South University of Forestry&Technologyhttp:/收稿日期:2022-12-08基金项目:黑龙江省省属科研院所科研业务费项目(CZKYF2021-2-C011);中央引导地方科技发展专项(ZY20B15)。第一作者:周宇(),硕士研究生。通信作者:潘虹(),助理研究员,硕士。杜君(),高级工程师,硕士。引文格式:周宇,潘虹,杜君,等.大兴安岭优势树种倒木分解的细菌群落组成及多样性差异 J.中南林业
2、科技大学学报,2023,43(9):105-115.ZHOU Y,PAN H,DU J,et al.Differences in the bacterial community composition and diversity in the decomposition of fallen logs of dominant tree species in the Daxinganling MountainsJ.Journal of Central South University of Forestry&Technology,2023,43(9):105-115.大兴安岭优势树种倒木分解的细菌
3、群落组成 及多样性差异周 宇1,潘 虹2,杜 君3,杨立宾2,董爱荣1(1.东北林业大学 林学院,黑龙江 哈尔滨 150040;2.黑龙江省科学院 自然与生态研究所,黑龙江 哈尔滨 150040;3.黑龙江呼中国家级自然保护区管理局,黑龙江 大兴安岭地区 165100)摘 要:【目的】探究大兴安岭林地不同优势树种倒木分解过程中细菌群落组成、多样性及功能变化,探讨养分驱动下主要细菌群落分布格局的差异化响应。【方法】以一年期的白桦、樟子松、落叶松倒木为研究对象,测定其含水率(MC)、pH 值、全碳(TC)、全氮(TN)、纤维素、半纤维素及木质素含量;采用 Illumina MiSeq 高通量测序技
4、术分析细菌组成、相对丰度和生态功能群组;通过相关性分析探讨不同树种的细菌群落组成与倒木养分间的关联性。【结果】3 种倒木分解过程中细菌种类由多到少依次为白桦、落叶松、樟子松,其中白桦独有细菌数量显著多于落叶松、樟子松。群落组成及分布研究表明,变形菌门 Proteobacteria 为 3 种倒木中细菌群落的绝对优势菌门,组内相对丰度在不同树种分解倒木中呈显著差异;Lysinimonas、Sphingomonas、Luteibacter 为优势菌属,组内相对丰度在不同倒木中无显著差异。群落多样性差异分析表明,树种差异显著改变了樟子松与落叶松、樟子松与白桦细菌群落组内的Alpha多样性,在门、属水
5、平上显著改变了组间的Beta多样性。倒木养分及与群落的相关性分析表明,TC、pH 值、TN、C/N、半纤维素、木质素在 3 种倒木间均呈显著差异,其中 TC、pH 值、TN、C/N、纤维素、木质素为门水平上,pH 值、TN、C/N、纤维素为属水平上影响倒木细菌组成及分布的关键因子。细菌功能预测结果表明,碳水化合物代谢、氨基酸代谢等方式是倒木细菌参与的主要功能通路,但均未表现出树种特异性。【结论】倒木分解过程中不同优势树种内细菌群落组成体现出明显的差异性,但菌群的主要功能通路未表现树种特异性。关键词:大兴安岭;倒木分解;细菌多样性;高通量测序中图分类号:S718.52+1.3 文献标志码:A 文
6、章编号:1673-923X(2023)09-0105-11Differences in the bacterial community composition and diversity in the decomposition of fallen logs of dominant tree species in the Daxinganling MountainsZHOU Yu1,PAN Hong2,DU Jun3,YANG Libin2,DONG Airong1(1.School of Forestry,Northeast Forestry University,Harbin 150040
7、,Heilongjiang,China;2.Institute of Natural Resources and Ecology,Heilongjiang Academy of Sciences,Harbin 150040,Heilongjiang,China;3.Heilongjiang Huzhong National Nature Reserve,Daxinganling 165100,Heilongjiang,China)Abstract:【Objective】This study aimed to explore the changes in the composition,dive
8、rsity and function of bacterial communities during the decomposition process of different dominant fallen log species in the woodland of the Daxingan Mountains and investigate the differentiated responses of distribution patterns of major bacterial communities driven by nutrients.【Method】The content
9、 of water,pH,TC,TN,cellulose,hemicellulose and lignin in the fallen logs of Betula platyphylla,Pinus sylvestris and Larix gmelini were determined.Illumina MiSeq high-throughput sequencing technology was used to analyze the bacterial composition,relative abundance and ecological functional groups.The
10、 relationship between the bacterial community composition of different fallen log species and the nutrient of fallen logs was investigated by redundancy analysis.【Result】In descending order,the bacterial species in the decomposition process of the three fallen logs species were Betula platyphylla,La
11、rix gmelini,and Pinus sylvestris.Among them,the number of unique Doi:10.14067/ki.1673-923x.2023.09.011周 宇,等:大兴安岭优势树种倒木分解的细菌群落组成及多样性差异106第 9 期倒木(Fallen log)是森林生态系统中粗木质残体(Coarse woody debris,CWD)的重要组分,它不仅是林地微生物、小型动物的食物网单元,也是生态系统养分循环、群落更新的重要纽带1。近年来,众多研究表明,倒木的分解不仅为微生物提供了长期、稳定的生态位,其不同分解腐坏阶段也吸引着不同种类、数量及功能
12、微生物的定殖2。倒木上细菌的丰富度与其分解有关,倒木的 pH 值、C/N、MC、纤维素等养分对细菌的群落也有影响3。微生物的组成和生物量差异与树种、径级、部位(树皮、边材、心材)、分解时间(分解阶段)及其在生态系统中的立地条件有一定的关系4。另外,也有研究表明,微生物群落结构的差异性使其对碳代谢的能力也不同,倒木分解过程中碳变化不仅会干扰微生物群落的组成,也会影响系统内的土壤矿化分解、植物性外源碳分解等生态过程5。倒木分解在森林养分循环、微生物群落更新、碳固存和森林生物多样性等方面发挥着重要作用6。可见,倒木是森林生态系统中非常重要的生态单元,研究倒木的微生物群落结构是了解森林养分循环的重要内
13、容。目前,针对寒温带倒木研究的报道主要集中在落叶松林,其研究大多为倒木储量、分解速率及养分贮藏等方面,而优势树种倒木的养分差异,以及倒木分解对根殖性微生物群落带来的动态影响方面的研究还不够深入4。因此,本研究在大兴安岭呼中国家级自然保护区内开展白桦、落叶松及樟子松凋落枝条在分解过程中的细菌群落及多样性差异研究,试图揭示和探讨:1)不同树种倒木分解过程中细菌群落组成、功能及多样性的变化;2)不同树种的细菌群落组成与倒木养分间的关联性。研究结果为进一步阐述寒温带中高纬度森林生态系统的养分循环及利用提供基础数据。1 材料和方法1.1 试验区设置及样品采集试验地设置在黑龙江省大兴安岭呼中国家级自然保护
14、区(514901 514919N,1225933 1230003E),该地地形平缓,海拔 847 974 m,年均气温-4,年均降水量 458.3 mm,年均相对湿度 71%,年均蒸发量 911 mm。该地共有平均胸径(DBH)1 cm的木本植物41种(其中乔木4种,灌木 37 种),草本植物 127 种,隶属于 21 科 39 属7。试验样地内设置 3 个 20 m20 m 的样方,样方内要求以落叶松 Larix gmelinii、白桦 Betula platyphylla、樟子松 Pinus sylvestris var.mongolica为主要的建群种或先锋树种。2018 年 6 月分别
15、在处于生长期的落叶松、白桦、樟子松上折取长约50 cm、直径约 2 cm 的健康枝条若干,将枝条均匀散布于样方内地表,一年后原位回收各林木枝条样品 3 根,经封装、标记后带回实验室,刮取土壤接触面处枝条周皮5 g,用于细菌的DNA提取,每样品 3 次重复。1.2 倒木中细菌 DNA 的提取、扩增及建库利用E.Z.N.A.Soil DNA Kit(D5625-01,Omega,USA)提取白桦及樟子松、落叶松凋落枝条样品总 DNA,检测 DNA 的提取质量,采用 1%的琼脂糖凝胶电泳,使用超微量分光光度计(ND-2000,Thermo,USA)检测 DNA 浓度约 10 ng/L 即可,电泳条带
16、均在 20 kb 以上,具有完整性,满足扩增要求。利用 GeneAmp 9700 型 PCR 仪(9700,ABI,USA),使用引物 338F(5-ACTCCTACGGGAGG bacteria in Betula platyphylla was significantly higher than that in Larix gmelini and Pinus sylvestris.The community composition and distribution study showed that Proteobacteria was the absolute dominant phyl
17、um in the three fallen log species,and its relative abundance within the group showed significant differences among these fallen log species.Lysinimonas,Sphingomonas and Luteibacter were the dominant genus,and their relative abundance within the group had no significant difference among different fa
18、llen log species.The difference analysis of community diversity showed that the difference in fallen log species significantly changed the Alpha diversity within the bacterial communities of Pinus sylvestris and Larix gmelini as well as Pinus sylvestris and Betula platyphylla,which also significantl
19、y changed the Beta diversity between groups at the phylum and genus levels.Redundancy analysis showed significant differences in the pH,TC,TN,C/N,hemicellulose and lignin contents among the three fallen log species.Among them,pH,TC,TN,C/N,cellulose and lignin were the key factors affecting the compo
20、sition and distribution of bacteria at the phylum level,and pH,TN,C/N and cellulose were the key factors at the genus level.The results of bacterial function prediction showed that carbohydrate metabolism and amino acid metabolism were the main functional pathways in the bacteria without fallen log
21、species specificity.【Conclusion】The composition of bacterial communities in different dominant fallen log species showed significant differences in the decomposition process.However,the main bacterial function did not show fallen log species specificity.Keywords:Daxingan Mountains;decomposition of f
22、allen log;bacterial diversity;high throughput sequencing107中 南 林 业 科 技 大 学 学 报第 43 卷CAGCAG-3)和806R(5-GGACTACVSGGGTATCT AAT-3)对细菌 16 S rRNA 基因的 V3 V4 可变区进行扩增。反应体系:5FastPfu Buffer 4 L,dNTPs(2.5 mmol)2 L,Forward Primer(5 mol)0.8 L,Reverse Primer(5 mol)0.8 L,FastPfu Polymerase 0.4 L,BSA 0.2 L,Template D
23、NA 10 ng,补充 ddH2O 至反应体系 20 L。反应条件:95 预变性 3 min,30 个循环(95 变性 30 s,55 退火 30 s,72 延伸 45 s),然后 72 稳定延伸10 min,最后 10 直至停止。产物 4 保存,每样本 3 次重复。将同一倒木样品的 3 次 PCR 产物混合后,首先使用 2%琼脂糖凝胶 3 L 上样电泳检测,切胶回收扩增产物,利用 AxyPrep DNA Gel Extraction Kit(AP-GX-250,Axygen Biosciences,USA)对产物进行 Tris-HCl 洗脱纯化;其次使用 2%琼脂糖凝胶二次电泳检测,并使用
24、QuantiFluor -ST 蓝色荧光定量系统(Promega,USA)对回收产物进行检测定量;最后使用 NEXTflexTM Rapid DNA-Seq Kit(5144-08,Bioo Scientific,USA)建 立 Miseq 文库。1.3 高通量测序和数据处理对 9 份样本的 PCR 扩增产物在 Illumina 公司Miseq PE 300 平台的帮助下进行双端测序,下机后对序列数据进行质量控制,得到优化序列。随即将优化序列的数据信息上传到 NCBI SRA 数据库(序列号:SRP360499)。得到的优化序列使用Uparse(Version 7.0.1090)在 97%的相
25、似度水平下进行聚类,同时剔除嵌合体,样本序列抽平原则基于最小样本序列数,获得操作分类单元(OTU)及代表序列。基于 OTU分类水平样本表,首先,使用 R(Version 3.3.1),统计不同分组中 OTU 数目并制作 Venn 图,以展现不同树种倒木分解中细菌 OTU 的组成及重叠情况。其次,使用 Mothur(Version 1.30.2),计算不同分组下 Shannon 指数、Simpson 指数,反映细菌群落的 Alpha 多样性;Sobs 指数反映实际观测的物种数目;Chao1 指数为估计的物种数目,反映细菌群落的丰富度。基于 Silva 16S rRNA 分类学数据库(Versio
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