呼和浩特市大青山白桦根际土壤细菌群落结构研究

高秀宏,李 敏,卢 萍,吕桂芬,牛艳芳

内蒙古师范大学生命科学与技术学院, 呼和浩特 010018

土壤微生物是生态系统的重要组分,它们驱使和影响了土壤中有机物分解、营养循环、生态系统生产力等许多生态系统过程[1- 4],它们的物种多样性及其功能多样性是生态系统稳定性的关键所在[1,5]。土壤微生物在森林生态系统演替、干扰生态系统恢复与重建的过程中发挥着重要的生态功能。根际微生物多样性及其群落结构受其宿主植物[6-8]和土壤理化性质[9- 10]的共同影响。探索土壤、微生物和植物之间相互影响的复杂关系,对进一步认识它们之间的协同进化机制具有重要意义[11]。因此,通过探索土壤微生物群落结构变化来预测生态系统的结构与功能,已成为目前一个重要研究方向[12]。土壤微生物多样性及群落结构的研究方法有传统微生物培养法、生物标记法、BIOLOG鉴定系统和高通量测序技术[6- 7,21],其中高通量测序技术具有快速、高通量以及高准确性等优点[22-23],已成为解析复杂环境中微生物群落结构组成和相对丰度的最重要工具之一[24]。如李岩等应用高通量测序技术对西北干旱区两种盐生植物黑果枸杞(Lyciumruthenicum)和里海盐爪爪(Kalidiumcaspicum)根际土壤细菌的多样性和群落结构进行了研究,发现黑果枸杞、里海盐爪爪根际细菌多样性丰度高于非根际土壤,黑果枸杞根际土壤细菌多样性丰度高于里海盐爪爪[25]。秦红等应用高通量测序技术对三峡库区重庆忠县汝溪河流域典型消落带的耕地、林地、弃耕地土壤细菌和真菌群落多样性进行了研究,发现不同土地利用方式下细菌和真菌多样性均有显著性差异,耕地和林地的细菌多样性无显著性差异,均显著高于弃耕地[26]。

与草地和农田生态系统相比,对森林生态系统的土壤微生物多样性及群落结构特征的研究相对较少[13],包括对真菌和细菌的研究都相对薄弱[14]。最近研究结果表明,细菌通常含有编码植物细胞壁降解酶的基因[15],而且对有机物质的分解作用显著[16-18]。另外,细菌是森林生态系统中固氮的主要天然因子[19],同时也参与了许多其他生态系统过程,例如,在矿物风化过程中释放出无机营养元素以供植物利用[20]。位于内蒙古自治区呼和浩特市的大青山是我国北方重要的生态安全屏障,在防风固沙、涵养水源、保持水土等方面发挥着重要生态功能。作为天然林和天然次生林生态系统的先锋树种,以及温带落叶阔叶林的优势树种,白桦(Betulaplatyphylla)对于维持区域生态平衡具有重要意义。目前,关于白桦根际土壤真菌(尤其菌根真菌)有相应研究报道[27-29],但关于白桦根际土壤细菌的研究相对较少。仅周永娜分析了山西庞泉沟自然保护区桦树林根际细菌的群落结构,发现有25个目细菌的丰度大于1%,包括能分解糖类、脂类、蛋白质等有机质的细菌和具有固氮和固碳功能的细菌[30]。但上述研究结果并不能代表各种生境中白桦根际土壤细菌的群落结构。白桦分布广泛,其根际土壤细菌多样性及群落结构在不同生境中是否有差异？已有研究表明土壤微生物地理分布与所处的土壤类型、土地利用密切相关[31- 32]。为深入揭示森林生态系统中白桦根际细菌多样性规律,本研究采用高通量测序技术,对内蒙古自治区呼和浩特市大青山白桦根际土壤细菌的物种多样性和群落结构进行了分析,现将研究结果报道如下。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

大青山研究区位于内蒙古自治区呼和浩特市井儿梁(编号为A2,海拔1789—1912 m, E111°26′54″ E111°44′23″,N40°53′22″—N40°54′39″)、哈达门森林公园(编号为B2,海拔1794 m—1830 m,E111°39′19″—E111°40′33″,N40°57′8″—N 41°58′32″)和小井沟(编号为C2,海拔1715 m—1854 m,E111°47′52″—E111°49′56″,N41°2′32″—N 41°2′38″)三个样地,白桦均为1949年解放前后在火烧迹地上通过封育生长起来的萌芽林。该地区属温带大陆性气候,昼夜温差大,年降雨量400 mm 左右,年蒸发量1800 mm 左右,湿润度0.3—0.6,年平均气温5.9℃,年日照时数2976.5 h,主风向为西北风,无霜期90—180 d。哈达门森林公园位于井儿梁东北方向29 km；小井沟位于哈达门森林公园东62 km。哈达门森林公园和小井沟白桦林下主要伴生灌木有小蘖(Berberiskawakamii)、蒙古扁桃(Amygdalusmongolica)、绣线菊(Spiraeasalicifolia)、蒙古莸(Caryopterismongholica)和虎榛子(Ostryopsisdavidiana),井儿梁白桦林下为天然高山草甸草原。

1.2 采样方法

井儿梁、哈达门森林公园和小井沟3个样地的所有样本均采自阴坡。每个样地选取生长良好的白桦25株,株距为50 m左右。采样时,先用小铁锹除去表层枯枝落叶,沿着树的根部轻轻拽到根的末端,深度在10—40 cm,收集根际土壤装入无菌塑料袋中并编号,然后带回实验室进行混样,每个样地的25个土样混在一起,过孔径1 mm筛。混合后的土样分为两份,一份用于土壤理化性质的测定,另一份用于高通量测序。每个样地的土壤选取4个平行样本,井儿梁样地(A2)编号为BP15、BP16、BP17、BP18,哈达门森林公园样地(B2)编号为BP25、BP26、BP27、BP28,小井沟样地(C2)编号为BP35、BP36、BP37、BP38。

1.3 白桦根际土壤样品的理化性质

对土壤样品理化性质的检测交由内蒙古绿恒生态科技有限公司完成,检测项目包括全氮(TN)、速效钾(AK)、有效磷(EP)、铵态氮(AN)、硝态氮(NN)、有机质(OM)、含水量(WC)和pH(表1)。

全氮采用半微量凯氏定氮法；速效钾采用乙酸铵浸提-火焰光度法；有效磷用0.5 mol/L NaHCO3法,分光光度计测定；铵态氮和硝态氮采用氯化钾溶液浸提-流动注射法；土壤有机质采用重铬酸钾外加热法测定；土壤含水量测定采用烘干法；土壤 pH 值采用 1∶2.5土水比,酸度计测定[33]。

1.4 土壤总DNA提取、PCR扩增及文库的构建

采用mobio土壤微生物 DNA 强力提取试剂盒PowerSoil® DNA Isolation Kit对根际土壤样品基因组DNA进行提取。细菌 16S rRNA (V3+V4)区域引物：5′- ACTCCTACGGGAGGCAGCA- 3′,5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT- 3′。PCR反应体系：基因组DNA40- 60 ng,上下游引物(10 μmol/L)各1.5 μL,Q5 High-Fidelity DNA Polymerase 0.2 μL,High GC Enhancer 10 μL,Bμffer 10 μL,dNTP 1 μL,补水至总体积50 μL。扩增条件：95℃ 5 min；95℃ 1 min, 50℃ 1 min,72℃ 1 min,扩增15个循环；72℃延伸 7 min。第二轮扩增反应体系：目的区域PCR纯化产物 10 μL,MPPI-a(10μmol/L)1 μL,MPPI-b(10μmol/L)1 μL,2×Phusion HF MM 20 μL,补水至总体积40 μL。扩增条件：98℃ 30 s；98℃ 10 s,65℃ 30 s,72℃ 30 s,扩增10个循环；72℃延伸 5 min。PCR结束后,对产物进行琼脂糖凝胶电泳。PCR产物经磁珠法回收后,纯化后的产物进行Nanodrop 2000定量后,按照质量比1∶1进行混样[34]。由北京百迈客生物科技有限公司进行后续的样品建库与宏基因测序。

1.5 数据分析

对原始数据进行拼接,将拼接得到的序列进行质量过滤,并去除嵌合体,得到高质量的Tags序列。在相似性 97% 的水平上对序列进行聚类,以测序所有序列数的0.005%作为阈值过滤 OTU。

对样品α多样性指数的分析采用Mothur软件进行,计算ACE、Chao1、Shannon和Simpson等物种多样性指数。Alpha多样性(Alpha diversity)反映的是单个样品物种丰度(richness)及物种多样性(diversity),有多种衡量指标：Chao1、Ace、Shannon、Simpson。Chao1和Ace指数衡量物种丰度即物种数量的多少。Shannon和Simpson指数用于衡量物种多样性,受样品群落中物种丰度和物种均匀度(Community evenness)的影响。相同物种丰度的情况下,群落中各物种具有越大的均匀度,则认为群落具有越大的多样性；Shannon指数值越大,Simpson指数值越小,说明样品的物种多样性越高。覆盖率数值越高,则样本中序列没有被测出的概率越低,该指数反映了本次测序结果是否代表样本的真实情况。

Shannon指数按下式计算,其中Pi为第i种细菌数量占细菌总量的比值。

均匀度按下式计算,其中S为细菌的总物种数。

EH=H/lnS

Chao1 指数按下式计算,其中,SChao1= 估计的OTU数；Sobs=实际OTU数；n1=只有一条序列的OTU数目；n2=只有两条序列的 OTU数目。

ACE 指数按下式计算：

其中,n1=只含有一条序列的OTU的数目；N=抽样中出现的总序列数目。

β多样性(Beta diversity)分析使用QIIME软件进行,比较多组样本在物种多样性方面存在的相似程度。本研究采用主坐标分析(Principal coordinates analysis,PCoA)。通过主坐标分析可以实现多个样品的分类,进一步展示样品间物种多样性差异。坐标图上距离越近的样品,相似性越大。

运用 R 软件进行各种分析图的绘制与结果输出。利用Canoco(version 4.5)软件对细菌群落结构与土壤理化因子进行冗余分析(RDA)。用SPSS 22.0软件进行细菌丰度和土壤理化性质的相关性分析及显著性检验。不同处理的均值在5%的显著性水平下做 LSD(Least significant difference)多重比较。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质

呼和浩特市大青山3个样地土壤的理化性质测定结果见表1。井儿梁、哈达门森林公园和小井沟的土壤全氮含量、速效钾、有效磷、有机质和土壤含水量间均存在显著差异(P<0.05)；井儿梁样地的铵态氮含量显著低于哈达门森林公园和小井沟；井儿梁和哈达门森林公园的硝态氮含量显著高于小井沟。

2.2 测序结果评估

通过对大青山3个采样地白桦根际土壤的12个样本中细菌的高通量测序,得到原始序列共876074条,经数据优化后得到有效序列708847条,序列平均长度420 bp左右。土壤细菌OTUs的稀释曲线如图1所示,12个样本的稀释曲线最终趋于平缓,说明测序数据量足以反映样品中的物种多样性。

表1 呼和浩特市大青山3个样地白桦根际土壤的理化性质

Table 1 Physical and chemical properties of rhizosphere soil ofBetulaplatyphyllain three sampling sites in the Daqing Mountains, Hohhot

样地Sampling sites全氮Total N(TN)/(g/kg)铵态氮Ammonium nitrogen(AN)/(mg/kg)硝态氮Nitrate nitrogen(NN)/(mg/kg)速效钾Available K(AK)/(g/kg)有效磷Available P(AP)/(mg/kg)有机质Organic matter(OM) /(g/kg)含水量WC(%)pH井儿梁(A2)2.92±0.05a16.46±0.83a3.34±0.43a0.17±0.02a4.75±0.15a67.08±2.24a29.00±1.00a6.95±0.11a哈达门(B2)2.54±0.08b29.57±1.75b2.92±0.26a0.29±0.02b9.43±0.25b84.59±4.36b22.67±1.53b6.88±0.08a小井沟(C2)3.87±0.05c27.16±3.06b2.32±0.2b0.39±0.02c8.51±0.34c94.42±0.93c14.67±1.53c6.34±0.09b

不同字母表示同一列内各均值存在显著性差异(P<0.05)

图1 呼和浩特市大青山3个样地白桦根际土壤细菌OTUs稀释曲线Fig.1 Rarefaction curves of rhizosphere soil bacteria OTUs of Betula platyphylla in three sampling sites in the Daqing Mountains, Hohhot

2.3 细菌群落结构分析

在97%的相似度水平下,分析每个样地的OTU个数。本研究结果表明(图2),井儿梁(A2)、小井沟(B2)和哈达门森林公园(C2)三个样地土壤细菌OTUs数量分别为1256、1281和1263个,其中3个不同样地间共有细菌OTUs数量为1207个。而小井沟样地的特有细菌OTUs数量最多,为9个；井儿梁样地特有细菌OTUs为8个,哈达门森林公园样地特有细菌OTUs数量最少,为6个。表明不同样地间的细菌OTU组成存在一定的差异。

图2 呼和浩特市大青山3个样地白桦根际土壤细菌OTUs数量(A2：井儿梁,B2：小井沟,C2：哈达门森林公园)Fig.2 Number of bacterial OTUs in rhizosphere soil of Betula platyphylla in three sampling sites in the Daqing Mountains, Hohhot(A2: Jingerliang, B2: Xiaojinggou, C2: Hadamen Forest Park)

2.4 优势细菌分析

通过对高通量测序结果的分析,从3个样地的土壤样本中测序得到根际细菌OTUs共有1308个,分属于28门、90纲、126目、213科、286属。在门水平上(图3),相对丰度大于1%的门分别为变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)、疣微菌门(Verrucomicrobia)及拟杆菌门(Bacteroidetes)。在3个样地中相对丰度最高的门均为变形菌门、酸杆菌门和放线菌门,其中变形菌门OTUs数量最多,在井儿梁(A2)、小井沟(B2)和哈达门森林公园(C2)3个样地中所占比例分别为26.82%、30.83%和28.21%；酸杆菌门在3个样地中的相对丰度分别为21.67%、18.93%和19.09%；放线菌门在3个样地的相对丰度分别为14.56%、20.78%和21.76%,这3个门的相对丰度之和在各样地中均超过60%。在进行聚类热图分析时(图4),发现小井沟(B2)和哈达门森林公园(C2)首先聚为一类,表明这2个样地在细菌门水平上的物种组成上更为接近,与井儿梁(A2)的物种组成存在一定的差异。

图3 呼和浩特市大青山3个样地白桦根际土壤细菌门水平的群落结构(A2：井儿梁,B2：小井沟,C2：哈达门森林公园)Fig.3 Bacterial community structure in rhizosphere soil of Betula platyphylla at phylum level in three sampling sites in the Daqing Mountains, Hohhot(A2: Jingerliang, B2: Xiaojinggou, C2: Hadamen Forest Park)

图4 呼和浩特市大青山3个样地白桦根际土壤细菌门水平聚类热图(A2：井儿梁,B2：小井沟,C2：哈达门森林公园)Fig.4 Bacterial cluster heatmap at phylum level in rhizosphere soil of Betula platyphylla in three sampling sites in the Daqing Mountains, Hohhot(A2: Jingerliang, B2: Xiaojinggou, C2: Hadamen Forest Park)

2.5 α多样性指数分析

在97%相似度水平下,3个样地α多样性指数值统计结果如表2所示。分析表明不同样地白桦根际土壤细菌多样性、均匀度和丰富度均有一定差异。香农指数和辛普森指数分析表明,小井沟(B2)和哈达门森林公园(C2)的根际细菌多样性较高,与井儿梁(A2)有显著性差异(P<0.05)。ACE指数和Chao1指数分析表明,小井沟(B2)和哈达门森林公园(C2)白桦根际细菌丰度高于井儿梁(A2)。另外,所有样地的OTU覆盖率均超过99%,同时结合土壤细菌OTU稀释曲线(图1),说明本次测序能检测到环境中绝大多数的物种,研究结果能反映大青山白桦根际土壤样本中微生物的真实情况。

2.6 β多样性指数分析

通过对3个样地白桦根际土壤细菌群落PCoA聚类结果分析(图5),发现本研究中每个样地的4个重复均聚类于同一象限(除B2样地有一个重复与其他3个重复不在同一象限),说明样品的重复性较好,组内变异相对较小；而3个样地均聚类于不同象限,说明组间差异明显。

PC1为造成样品差异性最大的主坐标成分,解释度为71.18%；其次为PC2,解释度为15.58%,两个主坐标轴的总解释度达到86.76%。在PC1维度上,能将井儿梁(A2)的样品与小井沟(B2)和哈达门森林公园(C2)的样品很好地分开,这与前面小井沟(B2)和哈达门森林公园(C2)的物种组成比井儿梁(A2)更为相似的结果一致。

表2 呼和浩特市大青山3个样地白桦根际土壤细菌的α多样性指数(A2：井儿梁,B2：小井沟,C2：哈达门森林公园)

Table 2 Diversity index of rhizosphere soil bacteria ofBetulaplatyphyllain three sampling sites in the Daqing Mountains, Hohhot(A2: Jingerliang, B2: Xiaojinggou, C2: Hadamen Forest Park)

样地Sampling siteACE指数ACE indexChao1指数Chao1 index辛普森指数Simpson index香农指数Shannon index覆盖率CoverageA21188.32±12.24a1196.46±25.87a0.0079±0.0003a5.83±0.01a0.99±0.0010aB21223.45±13.30b1230.74±26.74a0.0062±0.0005b6.01±0.03b0.99±0.0009aC21211.13±15.65b1221.71±16.31a0.0061±0.0005b5.99±0.01b0.99±0.0010a

不同字母表示同一列内各均值存在显著性差异(P<0.05)

图5 呼和浩特市大青山3个样地白桦根际土壤细菌群落 PCoA 聚类图(A2：井儿梁,B2：小井沟,C2：哈达门森林公园)Fig.5 PCoA analysis of bacterial communities in rhizosphere soil of Betula platyphylla in three sampling sites in the Daqing Mountains, Hohhot(A2: Jingerliang, B2: Xiaojinggou, C2: Hadamen Forest Park)

2.7 环境因子对细菌群落的响应

图6 呼和浩特市大青山白桦根际土壤细菌群落与环境因子之间关系的RDA 分析Fig.6 RDA analysis of bacterial community associated with environmental factors in rhizosphere soil of Betula platyphylla in the Daqing Mountains, HohhotAct：Actnobacteria；Chl：Chlorflexi；Pla：Plantomycetes；Gem：Gemmationagetes；Aci：Aciobacteria；Nit：Nitrsirae；Bac：Bacterodetes；Pro：Protebacteria；Ver：Verucomicrobia

通过对白桦根际土壤细菌群落结构与土壤理化性质的RDA分析与相关性分析(图6和表4),发现TN、pH和WC对白桦根际主要优势细菌的影响较大,各环境因子对3个样地土壤细菌优势门的影响顺序为TN>pH>WC>AK>NN>AN>OM>EP。TN与酸杆菌门、芽单胞菌门、Latescibacteria、硝化螺旋菌门和疣微菌门呈极显著正相关,与放线菌门、拟杆菌门、变形菌门和浮霉菌门呈极显著或显著负相关；pH与放线菌门、浮霉菌门、拟杆菌门和变形菌门呈极显著或显著正相关,与酸杆菌门、Latescibacteria、硝化螺旋菌门、疣微菌门和浮霉菌门呈极显著负相关；WC与浮霉菌门、放线菌门呈极显著或显著正相关,与疣微菌门、硝化螺旋菌门和Latescibacteria呈显著负相关；AK与浮霉菌门和放线菌门呈极显著或显著负相关,与疣微菌门呈显著正相关；NN与疣微菌门呈显著负相关；AN与绿弯菌门和浮霉菌门呈极显著或显著负相关；OM与疣微菌门呈显著正相关,与浮霉菌门呈极显著负相关；EP与绿弯菌门呈极显著负相关。

表4 呼和浩特市大青山白桦根际土壤细菌门水平群落结构与土壤理化性质相关性分析

Table 4 Correlation analysis between physical-chemical properties and bacterial community on phylum level in rhizosphere soil ofBetulaplatyphyllain the Daqing Mountains, Hohhot

TNAKEPANNNOMpHWC酸杆菌门 Acidobacteria0.885∗∗0.6470.1270.215-0.1550.493-0.806∗∗-0.653放线菌门 Actinobacteria-0.934∗∗-0.690∗-0.156-0.2670.574-0.5620.861∗∗0.733∗拟杆菌门Bacteroidetes-0.926∗∗-0.4820.1170.0210.558-0.3660.763∗0.544绿弯菌门 Chloroflexi0.109-0.485-0.807∗∗-0.810∗∗0.300-0.5860.2470.468芽单胞菌门 Gemmatimonadetes0.822∗∗0.337-0.301-0.122-0.2840.153-0.599-0.352Latescibacteria0.953∗∗0.6260.0490.149-0.5470.518-0.881∗∗-0.672∗硝化螺旋菌门Nitrospirae0.968∗∗0.6550.1020.227-0.6640.577-0.925∗∗-0.728∗浮霉菌门Planctomycetes-0.750∗-0.876∗∗-0.568-0.688∗0.778-0.827∗∗0.861∗∗0.875∗∗变形菌门Proteobacteria-0.837∗∗-0.4540.0870.0820.465-0.3910.740∗0.501疣微菌门Verrucomicrobia0.954∗∗0.792∗0.3080.333-0.748∗0.735∗-0.937∗∗-0.862∗∗

* 表示显著相关 (P<0.05),**,表示极显著相关 (P<0.01)

3 讨论

3.1 大青山白桦根际土壤细菌群落结构

细菌多样性对于维持土壤生态平衡具有重要作用。土壤中具有非常丰富的细菌多样性,不同环境及不同类型的土壤中既有相似的细菌组成,同时又有各自的优势类群[35]。Xia等对我国从南到北不同森林类型(包括热带森林、亚热带森林、温带森林和北方森林类型)的115个典型森林土壤样品的研究表明,发现放线菌门的相对丰度最高 (22%),其次是酸杆菌门(18%)、疣微菌门(Verrucomicrobia)(8.68%)和浮霉菌门(Planctomycetes)(6.75%),而拟杆菌门(Bacteroidetes)的相对丰度仅为1.4%[36]。Liu等对我国西北部黑土中的细菌群落结构的研究表明,丰度大于5%的门有酸杆菌门、放线菌门、变形菌门、拟杆菌门、绿弯菌门(Chloroflexi)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)和浮霉菌门[37]。翟婉璐等通过对浙江省杭州市雷竹林下土壤细菌的群落结构的研究,发现变形菌门(30. 80%)、酸杆菌门(22. 0%)和放线菌门(平均相对丰度13.9%)为该林下的优势门[38]。Zeng等通过对陕西黄土高原不同植被区(森林、森林草地、草地、沙漠和沙漠生态系统)土壤细菌的研究,发现放线菌门和变形菌门、绿弯菌门、酸杆菌门、 浮霉菌门是所有样品中的优势门,其中放线菌门和变形菌门的丰度最高[10]。丁新景等对黄河三角洲 4 个不同树种(臭椿、榆树、白蜡和刺槐)人工林根际土壤细菌的分析表明,酸杆菌门、变形菌门和放线菌门的相对丰度大于 10%,是根际土壤中的优势群落[39]。Yuan等研究表明,青藏高原高山草地土壤中酸杆菌门和变形菌门的丰度最高[40]。其他针对森林生态系统的研究结果也表明,土壤细菌中酸杆菌门、放线菌门和变形菌门的相对丰度较高[41- 42],主要是由于该类细菌具有较宽的生态位,并且对不同环境的适应性强。本文研究结果也表明,白桦根际土壤中变形菌门、酸杆菌门和放线菌门的细菌的相对丰度在3个采样地均最高,各样地中3个门的相对丰度之和均高于60%,是该地区白桦根际土壤中的优势细菌群落。综上所述,在门水平上,虽然土壤细菌多样性及其群落结构随不同森林类型、土壤、植被等的不同而存在一定的差异,但土壤中的优势类群基本相同。

土壤细菌在生态系统的有机物分解以及营养循环中发挥了重要作用。研究中变形菌门(Proteobacteria)在3个样地中的相对丰度均最高(26.8%—30.8%),在属水平上,短根瘤菌属 (Bradyrhizobium)(相对丰度1.3%—2.1%)和硝化螺旋菌属(Nitrospira)(相对丰度1.1%—1.7%)的相对丰度较高。有报道指出,部分该类细菌具有固氮、解磷作用[43],它们的存在参与了土壤氮磷循环,在改善土壤环境中发挥了重要作用。由于酸杆菌门是一类新划分出的细菌类群,目前,对其研究较少,但已有研究表明,酸杆菌门细菌能够降解复杂的木质素与纤维素,进而提高土壤养分[44],有研究者已从这类细菌中发现了可编码纤维素酶和半纤维素酶的基因[45]。放线菌大部分为腐生菌,其中部分种类能够分泌分解木质素的酶,表明具有分解木质素和纤维素的能力[46]。另外,有研究发现放线菌门具有共生固氮和解磷作用[47],因此,这类细菌在森林生态系统的物质循环中可能发挥了重要作用。本研究发现芽单胞菌门的相对丰度仅次于上述3门,在3个样地的相对丰度在8.20%—10.20%,高于其他研究者的报道,如海南降香黄檀不同混交林芽单胞菌门的相对丰度在1.1%—2.6%[48]；三江平原小叶章湿地土壤芽单胞菌门的相对丰度在1.0%—2.0%[49]。这可能是由于芽单胞菌门的部分细菌具有耐盐或嗜盐的特性,适宜在含盐量较高的土壤中生存,而呼和浩特周边地区的土壤属于典型的盐土类型,有利于这类细菌的繁殖。

3.2 环境因子与白桦根际土壤细菌的关系

环境生态因子对植物根际微生物的分布存在显著影响[10,14]。字洪标等通过对青海省云杉、白桦、落叶松和山杨组成的 7 种不同林分类型的土壤微生物的群落结构的研究,发现pH值和土壤含水量是影响土壤微生物群落的主要因素[29]。丁新景等对黄河三角洲4个不同树种人工林根际土壤细菌群落结构的研究表明,土壤电导率、碱解氮、有效磷和速效钾含量是土壤细菌结构和多样性的主要影响因素,土壤含水量和有效磷含量与细菌丰度存在显著相关性[39]。本文研究发现,TN、pH和WC对白桦根际主要优势细菌(门水平)的影响较大。氮常常是土壤中的限制性营养成分[14],土壤N有效性与根际细菌群落结构的变化密切相关[9]。Magill等对森林土壤的研究结果表明,随着土壤N含量的增加,酸杆菌门的多样性也增加[50]。本文研究发现,TN与酸杆菌门、芽单胞菌门、Latescibacteria、硝化螺旋菌门、疣微菌门、放线菌门、拟杆菌门、变形菌门和浮霉菌门的相对丰度存在显著或极显著相关性,表明TN是影响细菌群落结构的主要因子。土壤pH值是细菌群落组成的最重要的驱动因素,这一观察结果在多项研究(尤其是对森林土壤的研究)中得到证实[35,49]。有研究表明,酸杆菌门细菌在酸性土壤环境中有较高的丰度[51- 52]。研究发现酸杆菌门的相对丰度与pH呈极显著负相关(表4),酸杆菌门在3个样地的相对丰度分别为21.67%、18.93%和19.09%,低于柳春林等[53]报道的53.3%—67.8%(鼎湖山森林土壤,pH3.00—4.50)和隋心等[54]报道的53.0%(三江平原土壤,pH5.39—5.85),这可能是由于酸性环境更有利于酸杆菌门细菌的生长繁殖。而本研究样地大青山土壤pH基本接近中性,因此,酸杆菌门细菌相对丰度低于酸性土壤。综上所述,由于不同研究者考察的环境因子不同,因此,目前针对森林生态系统中土壤优势细菌受环境因子的影响程度尚无定论。

本研究利用 Illumina 高通量测序技术对呼和浩特市大青山白桦根际土壤细菌群落结构及其多样性进行了研究,发现变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)是白桦根际土壤的优势细菌门,TN、pH和WC是白桦根际优势细菌门的主要影响因子,3个样地白桦根际土壤细菌多样性、均匀度和丰富度均有一定差异。小井沟和哈达门森林公园样地白桦的伴生灌木一致,井儿梁样地白桦林下为草甸草原,研究发现,小井沟和哈达门森林公园白桦根际土壤细菌的多样性及丰度(ACE指数)显著高于井儿梁。