天昊客戶(hù)新文：西瓜種植可以重塑被還原性土壤消毒調(diào)節(jié)的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)

發(fā)稿時(shí)間：2018-08-01來(lái)源：天昊生物

 

南京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院近期在《Applied Soil Ecology》上發(fā)表了西瓜種植可以重塑被還原性土壤消毒調(diào)節(jié)的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的文章。在這項(xiàng)研究中天昊生物有幸承擔(dān)了樣品的擴(kuò)增子測(cè)序工作。在恭喜客戶(hù)又發(fā)表文章同時(shí)，我們想跟大家分享一下文章的研究思路。

英文題目：Watermelon planting is capable to restructure the soil microbiome that regulated by reductive soil disinfestation

中文題目：西瓜種植可以重塑被還原性土壤消毒調(diào)節(jié)的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)

期刊名：Applied Soil Ecology     

發(fā)表時(shí)間： 2018年5月    

影響因子：2.786

研究背景: 

眾所周知，土壤微生物群落在保持土壤健康和抑制植物病害起著重要的作用，而植物也有能力通過(guò)釋放各種各樣的化合物來(lái)驅(qū)動(dòng)和塑造微生物群落。此外，越來(lái)越多的研究表明，還原性土壤消毒（RSD）能顯著地改變土壤微生物群落，然而，受RSD調(diào)節(jié)的土壤微生物群落對(duì)植物栽培的響應(yīng)仍不清楚。因此，本文提出以下兩個(gè)假設(shè)：1）RSD處理和對(duì)照組土壤中的微生物群落在植物根系分泌物影響下差異加??；2）RSD處理和對(duì)照組土壤中的微生物群落在植物生長(zhǎng)后趨于相似，因?yàn)槟承└捣置谖锬軌蜻x擇一些相似的特定土壤微生物群。

研究對(duì)象：

本試驗(yàn)所用土壤收集自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，西瓜在該土壤中連續(xù)栽培多年，最終遭受?chē)?yán)重枯萎病。在中國(guó)廣西糖廠獲得了有機(jī)物料糖發(fā)酵液（SF），用于RSD處理。在西瓜播種前，用RSD處理上述尖孢鐮刀菌侵染土壤。簡(jiǎn)而言之，實(shí)驗(yàn)完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，重復(fù)三次，每個(gè)重復(fù)包含10盆，做以下處理：（1）CK，4kg土壤裝入盆中，無(wú)需有機(jī)物改良劑、灌溉和密封；（2）RSD，4kg土壤摻入2%（V/W）有機(jī)物料糖發(fā)酵液（SF），裝入盆中，灌溉土壤至飽和并用塑料膜密封。盆栽土壤在35°C下培養(yǎng)20天，在培養(yǎng)期內(nèi)，CK土壤含水量保持在15%～18%，符合田間土壤水分狀況。培養(yǎng)20天后，所有土壤自然排水，過(guò)8 mm篩并充分混合。將10盆土壤（每盆取30g土壤）合并成一個(gè)土壤樣品，每個(gè)處理3個(gè)生物學(xué)重復(fù)。收集的土壤分別保存在4°C和-80°C下做進(jìn)一步分析。

取樣后，每千克土壤摻入1g（W/W）無(wú)機(jī)復(fù)合肥（N:P:K:16:16:16），然后將一株含有三個(gè)葉片的西瓜幼苗放入各盆，分別在30°C和15°C條件下培養(yǎng)90天。經(jīng)過(guò)40天的生長(zhǎng)后，每十天記錄一次植物的病情指數(shù)和芽長(zhǎng)，在栽培結(jié)束后調(diào)查根長(zhǎng)和生物量。還用上述策略收集土壤樣品（分別定義為CK-C和RSD-C）做進(jìn)一步分析。

MiSeq測(cè)序：細(xì)菌測(cè)序區(qū)段（V4）；真菌測(cè)序區(qū)段（ITS1）

研究結(jié)果：

土壤pH值與微生物總活性

培養(yǎng)20天后，RSD處理組土壤pH值顯著高于CK組。西瓜栽培后，CK和RSD處理組土壤pH值均下降（表1）。與CK對(duì)照相比，RSD處理組的總微生物活性顯著提高了7.84μg g ^?1 h ^?1。西瓜栽培后， RSD-C組總微生物活性顯著下降，但是與CK-C組沒(méi)有明顯差異。

 

表1  RSD處理和西瓜栽培后土壤pH值和微生物活性的變化。CK為未處理土壤，RSD為土壤施用2%（V/W）糖發(fā)酵液灌溉飽和后封閉，“-C”代表西瓜栽培后。

西瓜植株生物量、長(zhǎng)度及病情指數(shù)

在40～90 d的栽培過(guò)程中，CK組的病情指數(shù)始終高于RSD處理組，RSD處理組的芽長(zhǎng)比對(duì)照組高了37%～23.7%。栽培90 d后，RSD處理組芽和根的鮮生物量和植物長(zhǎng)度分別比CK組提高47.67%、83.33%、23.67%和62.88%（表2），與對(duì)照組相比，RSD處理組病情指數(shù)顯著降低。

 

表2  CK和RSD處理組西瓜植株生物量、長(zhǎng)度和病害指數(shù)。

土壤細(xì)菌、真菌和尖孢鐮刀菌

總體而言，與CK相比，RSD處理對(duì)細(xì)菌和真菌的種群大小沒(méi)有顯著影響。然而，RSD土壤中，尖孢鐮刀菌的數(shù)量明顯減少了99.22%（圖1）。西瓜栽培后，在CK-C和RSD-C組中細(xì)菌數(shù)量均無(wú)顯著增加，而真菌種群則分別增加了2.49倍和2.27倍（圖1A、B）。RSD-C組土壤尖孢鐮刀菌數(shù)顯著增加，仍顯著低于CK-C組（圖1C）。

 

 

圖1  RSD處理和西瓜栽培后土壤細(xì)菌（A）、真菌（B）、尖孢鐮刀菌（C）豐度。

RSD處理對(duì)細(xì)菌/真菌的比例沒(méi)有顯著影響，然而在種植西瓜后，CK-C和RSD-C組中細(xì)菌/真菌的比例分別顯著降低64.48%和59.29%（圖2A）。相反，在RSD處理中，尖孢鐮刀菌/真菌比例顯著降低，即使在西瓜栽培后CK-C和RSD-C組中的尖孢鐮刀菌/真菌比例都迅速恢復(fù)，這種趨勢(shì)仍然存在（圖2B）。

 

圖2  RSD處理和西瓜栽培后細(xì)菌/真菌比例（A）和尖孢鐮刀菌/真菌比例（B）。

土壤微生物群落α多樣性

與對(duì)照相比， RSD處理后細(xì)菌的豐富度、真菌香農(nóng)多樣性和均勻度略有增加。西瓜栽培后，CK-C和RSD-C組的真菌豐富度和細(xì)菌多樣性、均勻度均顯著降低，而細(xì)菌豐富度在兩個(gè)處理組中均無(wú)顯著下降。除了RSD-C處理中真菌均勻度顯著高于CK-C處理之外，其余的細(xì)菌和真菌α多樣性在CK-C和RSD-C土壤之間沒(méi)有顯著差異。

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與組成

PCoA顯示，與CK處理相比，RSD處理顯著地影響土壤細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)（圖3A、B）。然而，在西瓜栽培（CK-C與RSD-C）之后，土壤細(xì)菌和真菌群落又發(fā)生了變化，并趨于相似，特別是對(duì)于細(xì)菌群落（圖3A，B）。

 

圖3  RSD處理和西瓜栽培后不同土壤微生物群落的PCoA分析、PCA分析和冗余分析（RDA）?；?/span>Bary Curits距離（A，細(xì)菌，B，真菌）的PCoA分析。基于細(xì)菌（C）和真菌（D）優(yōu)勢(shì)菌群分布的PCA分析。RDA圖顯示了優(yōu)勢(shì)菌群（E，細(xì)菌，F，真菌）和環(huán)境因子之間的關(guān)系?！?/span>

細(xì)菌和真菌門(mén)水平

•  與CK處理相比，在RSD組中，優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)Firmicutes, OD1, Acidobacteria, Chlorobi以及優(yōu)勢(shì)真菌門(mén)的Ciliophora顯著增加，而細(xì)菌門(mén)Actinobacteria, TM7, Chloroflexi, Gemmatimonadetes相對(duì)豐度在RSD組中顯著增加（表3）。
• 西瓜種植后細(xì)菌群落和真菌群落組成均發(fā)生變化，CK-C和RSD-C土壤的差異縮小，多數(shù)優(yōu)勢(shì)類(lèi)群的相對(duì)豐度趨于相似（圖3C、D）。
• 此外，RSD-C土壤中Bacteroidetes（細(xì)菌）和Ascomycota（真菌）的相對(duì)豐度顯著高于CK-C土壤，而TM7, Acidobacteria, Basidiomycota（真菌）則呈現(xiàn)相反的模式（表3）。
• 此外，RSD處理后Firmicutes, OD1, Acidobacteria, Chlorobi, Ciliophora顯著增加，并隨西瓜生長(zhǎng)顯著減少，然而Actinobacteria, TM7, Gemmatimonadetes, Ascomycota展現(xiàn)相反的模式：RSD處理后其豐度降低，并隨著西瓜栽培而增加。

 

表3  RSD處理和西瓜栽培后豐度大于2%的優(yōu)勢(shì)菌門(mén)

細(xì)菌和真菌屬水平

• 與CK處理相比，RSD處理組中細(xì)菌優(yōu)勢(shì)屬Uc-Bacteroidales, Flavisolibacter, UcIgnavibacteriaceae，Gracilibacter以及真菌優(yōu)勢(shì)屬Peziza, Uc-Basidiomycota, Ciliophora顯著增加。在RSD處理中，細(xì)菌屬UcTM7-1, Uc-Cytophagaceae, Uc-A4b, Uc-CFB-26以及真菌屬Davidiella，Uc-Pezizomycetes的相對(duì)豐度顯著降低（圖4）。
• 細(xì)菌類(lèi)群和真菌屬組成的變化類(lèi)似于門(mén)級(jí)的變化：西瓜種植后CK-C和RSD-C土壤微生物群落差異縮小，多數(shù)優(yōu)勢(shì)類(lèi)群的相對(duì)豐度趨于相似。
•  此外，RSD-C土壤中Uc-Chitinophagaceae, Arthrobotrys,Ascobolus豐度顯著高于CK-C土壤，而Uc-TM7-1, Uc-Xanthomonadaceae, Conocybe則呈相反趨勢(shì)（圖4）。
• 此外，在RSD處理中，上述顯著增加的菌屬隨西瓜生長(zhǎng)量的增加而顯著降低，而細(xì)菌屬Uc-Chitinophagaceae, Uc-TM7-1, Uc-Xanthomonadaceae以及真菌屬Conocybe, Arthrobotrys, Davidiella, Monosporascus均表現(xiàn)出相反的模式，在RSD處理后減少，在西瓜栽培后增加了超過(guò)百分之十（圖4）。

 

圖4  RSD處理和西瓜栽培后，所有樣本都存在的top10細(xì)菌和top10真菌的相對(duì)豐度。

土壤優(yōu)勢(shì)屬與環(huán)境因子的關(guān)系

RDA分析（圖3E，F）表明，在RSD處理組中，上述顯著增加的細(xì)菌和真菌屬與土壤pH值呈正相關(guān)，與疾病指數(shù)（DI）和尖孢鐮刀菌呈負(fù)相關(guān)。然而，細(xì)菌屬Uc-TM7-1，Uc-Xanthomonadaceae以及真菌屬Uc-Stephanosporaceae, Conocybe, Arthrobotrys, and Monosporascus與土壤pH呈負(fù)相關(guān)，與尖疾病指數(shù)（DI）和尖孢鐮刀菌呈顯著正相關(guān)。

研究結(jié)論：

1. 結(jié)果表明，RSD處理能顯著抑制尖孢鐮刀菌與鐮刀菌枯萎病，促進(jìn)西瓜生長(zhǎng)，提高微生物活性。

2. 然而，西瓜栽培后尖孢鐮刀菌病原菌迅速恢復(fù)。雖然RSD處理能顯著改變土壤微生物群落，但西瓜栽培也具有重塑和對(duì)照類(lèi)似土壤微生物群落狀態(tài)的能力。

3. 總體上，RSD處理能顯著降低西瓜枯萎病的土壤傳導(dǎo)性，西瓜播種后枯萎病土壤傳導(dǎo)性迅速恢復(fù)。西瓜播種后尖孢鐮刀菌和土壤微生物群落的變化可能歸因于西瓜釋放出的根系分泌物，它們有足夠的強(qiáng)大動(dòng)力通過(guò)篩選微生物庫(kù)來(lái)選擇相似的菌群。