不同园林植物根际土壤微生物群落代谢差异性研究

万平平,刘胡楠,张文婕,王金花*,王军,朱鲁生

不同园林植物根际土壤微生物群落代谢差异性研究

万平平1,刘胡楠2,张文婕2,王金花2*,王军2,朱鲁生2

1. 济南市城乡建设发展服务中心, 山东 济南 250014 2. 山东农业大学资源与环境学院;山东省高校农业环境重点实验室, 山东 泰安 271018

为了分析园林植物根际土壤微生物对碳源代谢活性及利用特征的差异性，本文以济南市植物园样地中海棠、樱花、月季、牡丹和腊梅5种不同植物根际土壤为研究对象，通过Biolog-ECO微平板法进行了碳源利用能力研究。结果表明，反映土壤微生物碳源利用活性的指标--平均颜色变化率（AWCD）呈现先增加后逐渐变缓的趋势。此外，5种植物的根际土壤微生物均表现出对糖类、羧酸类和多聚类碳源具有较强的代谢能力。5种植物微生物群落间碳代谢存在显著差异，樱花的根际土壤微生物群落利用底物碳源的能力最强，牡丹和海棠相对较低。樱花3种多样性指数也明显高于其他植物。本研究结果将有助于在城市绿化中选择固碳效果更好的园林植物，为建设低碳园林提供一定的科学依据。

土壤微生物; 代谢; 差异性分析

随着经济的快速发展，城市环境遭到了严重破坏，尤其是碳排放量问题日渐严峻。城市园林是城市碳库中的重要组成部分，不仅具有美学功能，还具有多种生态功能。园林植物的固碳作用是缓解城市碳排放过多的有效途径之一[1]。

微生物是土壤中最活跃的组分，可以分泌多种酶来分解动植物残体和其它有机物，并加速碳的转化和运输[2]。根际微生物是土壤与植物生态系统物质交换的参与者，其生长繁殖受植物养分利用及根系分泌物的影响，对土壤微生物群落进行研究能够丰富土壤微生物生态学理论[3-6]。

Biolog-ECO微平板法能测定微生物群落对不同碳源的代谢能力[7]。张明莉等[8]用Biolog-ECO微平板法研究发现入侵植物意大利苍耳的功能多样性显著高于本地植物苍耳。吴兰等[9]用Biolog-ECO微平板法分析不同湿地土壤微生物的碳代谢，发现不同湿地土壤中的微生物对碳源利用能力也表现出显著差异。尚方剑等[10]用Biolog-ECO微平板法分析墨西哥香草兰、帝皇香草兰、大香草兰、大花香草兰根际土壤微生物群落功能多样性，发现帝皇香草兰根际土壤微生物群落功能多样性最高。

近年来，国内外对植物根际生态环境的研究取得了一定的进展[11-15]，但对城市园林植物根际微生物的研究仍为较为薄弱的一环。本研究以海棠、樱花、月季、牡丹和腊梅等5种常见的城市园林植物为研究对象，利用Biolog-ECO微平板法，探讨不同植物根际土壤微生物群落的碳代谢特征。旨在丰富人们对于城市园林植物根系环境对微生物群落影响的理解，为低碳园林生态建设提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究地位于济南市区东郊35 km处济南植物园（117°27'24″，36°36'47″）。试验点属于暖温带半湿润季风型气候，四季分明，年均气温13.8 ℃，年均降水量685 mm，无霜期178 d。

1.2 研究方法

采集济南市植物园中海棠、樱花、月季、牡丹和腊梅5种不同植物的根际土壤，用Biolog-ECO微平板法进行测定。取10 g新鲜土壤放入250 mL锥形瓶中，加入90 mL 85%无菌水，振荡30 min，制成土壤悬液，吸取上清液并稀释为10-3g·mL-1，在超净工作台中进行接种。于25 ℃培养箱培养7 d。每隔24 h用酶联仪测定590 nm下的吸光度值。

1.3 数据处理

本研究采用平均颜色变化率（Average well color development，AWCD）在96 h的数据计算Biolog-ECO平板中土壤微生物群落利用碳源的整体能力。选用Shannon指数（）、Simpson指数（）和McIntosh指数（）来表征微生物群落多样性。计算方法[9]如下：

Simpson 指数=；

式中：C表示第孔的OD值；表示对照孔的OD值；n表示第孔的相对吸光度值；P表示第孔中的吸光度值与除去对照孔的吸光度值总和的比值。

通过Excel对上述数据进行处理，利用SPSS 26.0进行单因素分析，使用Excel 2019和Origin 2022绘图。

2 数据与分析

2.1 不同园林植物根际土壤微生物碳代谢活性变化

AWCD值可以表征微生物群落碳源代谢活性的变化[16]。如图1（A）所示，5种植物根际土壤微生物AWCD值在培养时间内逐渐增高。24 h内变化不明显，24～120 h AWCD值呈指数型生长，之后增加速度减慢，进入稳定期。本研究选取96 h AWCD值进行分析。由图1（B）对比96 h时5种植物根际土壤的AWCD值发现，5种植物的AWCD值大小顺序是：樱花＞月季＞腊梅＞牡丹＞海棠。也就是说，樱花的根际土壤微生物群落对底物碳源的总体利用能力最强，AWCD值为1.02，其次是月季和腊梅，牡丹和海棠相对较低。

图 1 不同园林植物根际土壤微生物对整体碳源利用趋势（A）及培养96 h后平均颜色变化率（B）

如表1所示，为进一步了解微生物群落的整体动态变化，比较了5种园林植物土壤培育96 h时的微生物群落多样性指数。总体来看，多样性指数的大小顺序是：樱花＞腊梅＞月季＞海棠＞牡丹，其中樱花和腊梅的多样性指数均显著高于其他植物根际土壤（＜0.05），牡丹的H指数明显低于其他植物。

表 1 不同植物根际土壤中微生物群落的多样性指数

注:同一列数据后英文小写字母不同表示处理间某指标差异达0.05显著水平。

Note: Different small letters indicate significant differences at＜0.05.

2.2 不同园林植物根际土壤微生物碳源利用特征

图 2 不同园林植物根际土壤微生物的碳源利用特征

注：红色表示对应样本中AWCD值较高的碳源，蓝色表示AWCD值较低的碳源；横向表示为样品信息，右侧纵向表示不同碳源。

Note: Red indicates the carbon source with a higher AWCD value in the corresponding sample, blue indicates the carbon source with a lower AWCD value, the horizontal indicates the sample information.

将96 h测定的AWCD值按照不同碳源利用特征进行热图绘制，如图2所示，5种植物均可将以L-天门冬酰胺、L-精氨酸、N-乙酰-D葡萄糖氨和D-甘露醇等为碳源的功能微生物显著富集。不同植物根际土壤微生物对碳源的利用也不同。与其他几种植物相比，樱花根际土壤中微生物对D-纤维二糖和肝糖的利用能力较高，对吐温80、丙酮酸甲酯利用程度则处于较低水平；海棠根际土壤微生物对吐温80、L-精氨酸以及r-羟丁酸有较高的利用能力。

图 3 不同园林植物根际土壤微生物对碳源的相对利用程度

Biolog-ECO微平板上的31种碳源可分为六大类（多聚类、碳水化合物类、酚酸类、羧酸类、氨基酸类、胺类）。如图3所示，5种植物根际土壤微生物均表现出对糖类、羧酸类和多聚类碳源利用的偏好性；而对酚类、胺类和氨基酸类表现较低的利用能力。樱花和月季两种植物的根际土壤微生物对糖类碳源利用率更高，分别占其总碳源利用率的40%和39%，与其他植物相比，牡丹对糖类的利用程度较低，仅占28%。

2.3 不同园林植物根际土壤微生物群落主成分分析

图4 土壤微生物群落对碳源利用的主成分分析

注: 图中编号1-31代表31种不同的碳源，详见表2 编号项。

Note: Numbers1-31in the figure above represent 31 different carbon sources, as detailed in Table 2 Number item.

将96 h时的AWCD值进行主成分分析，共提取了PC1和PC2两个主成分。总解释度达到77.2%，其中PC1解释度为56.3%，PC2解释度为20.9%。从图4可以了解到，各类碳源均分布在一、四象限，坐标系中对PC1正轴投射最大的为D-甘露醇、N-乙酰-D葡萄糖氨，均为糖类碳源；对PC2正轴投射最大的是吐温80、丙酮酸甲酯；对PC2负轴投射最大的是α-丁酮酸。

不同园林植物的根际土壤在主成分坐标中存在明显的分布差异：樱花根际土代表点位于第一象限，月季和牡丹根际土代表点位于第二象限，海棠根际土代表点位于第三象限，腊梅根际土代表点位于第四象限。其中腊梅与月季根际土代表点相对较近，说明这五种不同园林植物根际土壤微生物的碳源利用能力虽存在差异，但腊梅与月季对碳源利用能力较接近，这与上述整体碳源利用趋势和多样性指数分析结果一致。通过分析表2可知：31种碳源都与PC1都呈正相关，PC1可能代表各类土壤中的微生物群落对碳源利用的差异程度，对比六类碳源的相关系数可得知这些根际土壤中的微生物更倾向于利用糖类碳源。有18种碳源与PC2成正相关，因此推测PC2可能是不同土壤的微生物对碳源利用的相似性。

表 2 31种碳源与2个主成分间的相关系数

2.4 不同园林植物根际土壤微生物碳源利用的相关性分析

为进一步了解土壤微生物群落对各碳源利用及多样性的关系，如图4所示，本研究通过对多聚物类、糖类、酚酸类、羧酸类、氨基酸类、胺类的利用及AWCD值、三个多样性指数（、和）的相关性分析，发现除指数与酚酸类、羧酸类、氨基酸类与胺类相关性不明显或呈现负相关外，其余碳源及微生物群落多样性均呈现正相关。

图5 不同园林植物根际土壤微生物的相关性分析

3 讨论

贾鹏丽等[17]认为土壤微生物一般需要24～48 h来实现代谢的增长，在培养过程中，碳源代谢利用能力增强，但不同土壤利用类型下的代谢速率不同。本实验AWCD曲线研究结果也符合这一规律，与曹小青[18]、韦锦坚[19]等研究结果相同。朱澳云等[20]对六种观赏植物根际土壤微生物菌群结构进行了分析，发现日本樱花与其他观赏树木土壤样本中根际土壤微生物群落结构差距较大。在本研究中，樱花根际微生物对整体碳源的利用趋势一直处于较高水平，可能是樱花的根际土壤微生物与其他样本有较大的差别，存在能充分利用Biolog-ECO板中碳源的微生物。同时，月季和腊梅的AWCD值和多样性指数（、和）差异不显著，意味着这两种植物根际微生物对土壤碳源的利用情况相似。而在主成分分析中，月季与腊梅距离都接近PC2轴，说明土壤微生物利用碳源的种类和数量基本相同，海棠和牡丹也是如此。主成分分析图中各样品点间距离越近表示相似度越高[21]。观察各样品点至PC1轴的投射，樱花距离最远，在5种植物中，樱花的固碳能力最强。

樱花、月季均为蔷薇科植物，对D-纤维二糖都表现出了较强的利用能力，但96 h时AWCD值也存在差异性（＜0.05）。5种植物根际微生物均对糖类、羧酸类碳源有较强的利用能力，说明这两类碳源在土壤中含量较高。羧酸类碳源利用率较高且样地土壤呈碱性，推测是植物分泌的羧酸类化合物可以酸化土壤环境，有利于微生物生长。酚酸类碳源利用程度都较低，可能是因为微生物具有降解酚酸的作用[22]。

相关性分析结果表明，除优势度指数与酚酸类、羧酸类、氨基酸类与胺类相关性不明显或呈现负相关性外，其余碳源及微生物群落多样性均呈现正相关性。其中多样性指数与AWCD值呈现出极显著正相关。由此可见，微生物群落对碳源的利用能力与微生物群落功能多样性密切相关。本研究土壤原始理化性质相同，但由于种植不同园林植物，其根系分泌物与养分吸收差异影响土壤性质[23]。根据培养96 h时的AWCD值计算土壤微生物群落的多样性指数（、和），樱花3种多样性指数都较高，表明其根际土壤微生物群落种类最多且较均匀。通常认为，土壤固碳能力依赖于固碳菌群和作物生物量，这也说明了樱花的固碳能力较强。

本研究中通过Biolog-ECO微平板法测定了5种园林植物根际微生物群落的组成与代谢的差异性，确定5种植物根际微生物群落碳代谢特征，并推测其固碳能力。在规划城市绿地时，应考虑到绿地固碳效益，增加固碳能力相对较强的园林植物种类。在接下来的研究中，综合应用分子生物学和代谢组学方法，分析不同植物和土壤微生物之间的关系，进一步了解城市园林植物根际生态系统，促进绿色城市生态建设。

4 结论

5种园林植物土壤微生物群落均对糖类和羧酸类碳源利用程度较高，樱花和月季均属于蔷薇科植物，根际微生物群落对D-纤维二糖、β-甲基-D-葡萄糖苷等碳源具有相似的代谢特征，但代谢强度间存在显著性差异（＜0.05）。试验结果表明，樱花的微生物多样性指数显著高于其他植物根际土壤，可能是其根系分泌物促进了对碳源高度利用的微生物的生长繁殖，固碳能力也相对较强。

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Study on the Metabolic Differences of Inter-root Soil Microbial Communities from Different Landscape Plants

WAN Ping-ping1, LIU Hu-nan2, ZHANG Wen-jie2, WANG Jin-hua2*, WANG Jun2, ZHU Lu-sheng2

1.250014,2.271018, C

In order to analyze the variability of the metabolic activity and utilization characteristics of carbon sources by inter-root soil microorganisms of garden plants, five different plants, namely,,sp,Jacq,Andrand(L.)Link, were used in the Jinan Botanical Garden to study the utilization capacity of carbon sources using the Biolog-ECO microplate method. The results showed that the average color change rate (AWCD), the change trend was increasing and then gradually slowing down. In addition, the inter-rhizosphere soil microorganisms of all five species of plants showed strong metabolic ability for sugar, carboxylic acid and polymorphic carbon sources, The study showed that there were significant differences in carbon metabolism among the five plant microbial communities, with the inter-rhizosphere soil microbial community ofsphaving the strongest overall utilization of substrate carbon sources andAndrandbeing relatively lower. The diversity index of the three species ofspwas also significantly higher than that of other plants. The results of this study will help to select garden plants with better carbon sequestration effect in urban greening and provide some scientific basis for the construction of low-carbon gardens.

Soil microorganisms; metabolism; different analysis

S154.34

A

1000-2324(2022)02-0246-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.02.010

2022-03-12

2022-04-12

山东省自然科学基金(ZR2016JL029,JQ201711)

万平平(1978-),女,研究生,高级工程师,研究方向为植物保护. E-mail:45148557@qq.com

Author for correspondence. E-mail:wjh@sdau.edu.cn