4种落叶栎类植物根际土壤微生物多样性及其与环境因子关系的研究

摘要

中国暖温带的地带性植被(或称显域植被、显性植被，Zonal vegetation)是落叶阔叶林，落叶栎林是其中具有代表性的植被类型。在漫长的人类发展历史中，森林为人类生存、生产提供了重要的物质基础，在长期的人为作用和生态环境的变化下，地带性的落叶栎林面积在不断减少，被其他类型的森林所取代。对以落叶栎林为特征的暖温带地区森林植被的恢复以及重建工作任重而道远。森林植被恢复涉及到理论研究、树种选择、配置模式、栽培和管理技术等许多方面，其中重要的是树种选择和种植技术。在种植技术方面，国外对根际微生物的多样性及其功能已有很多研究，在盐碱地和瘠薄山地造林应用方面已有成功经验。但以栎类等乡土种类为对象进行根际微生物多样性研究的报道很少，开展相关的研究具有理论和应用意义，可为山东省及暖温带栎林生态恢复和重建、森林资源的开发保护提供科学依据和技术支持。
　　本论文以山东省落叶栎林分布较集中和典型的崂山自然保护区为研究地，以暖温带典型落叶栎林的4种常见优势植物，短柄枹（Quercus glandulifera Thunb.var.brevipetiolata Nakai），槲树（Q.dentata Thunb.），麻栎（Q.acutissima Carruth.），蒙古栎（Q.mongolica Fisch.ex Ledeb.）为对象，采集了4种栎属植物的根际土壤样品，研究了这4种栎属植物下根际细菌和古菌的多样性、微生物群落特征以及其随海拔差异的垂直分布特征，分析了根际细菌和古菌与地上植被、海拔(Altitude)、土壤含水量(Soil water content，SWC)、pH、有机质含量(Soil organic matter，SOM)等环境因子之间的关系。采用第二代454技术对根际土壤微生物的16s DNA进行测序，对所得序列利用Mothur进行土壤微生物组成和多样性指数计算，运用主成分分析(Principal component analysis，PCA)揭示了根际土壤微生物的随海拔垂直分布变化，利用冗余分析(redundancy analysis，RDA)方法探讨了根际细菌和古菌与海拔高度、含水量、pH、有机质含量等环境变量之间的关系，并利用皮尔森相关分析(Pearson CorrelationCoefficient)探讨了根际微生物多样性和环境变量之间的相关性;利用LEfSe(Linear Discriminant Analysis Effect Size)分析找出三个海拔梯度组中数量显著不同的种群，也就是找出每一个海拔梯度组的生物标记(Biomarker)。研究获得了以下结果:
　　(1)4种栎属植物根际细菌和古菌的多样性丰富。在研究的样地中，细菌有效序列数量也远远高于古菌，细菌可操作分类单元(OTUs，Operational Taxonomic Units)数量远远高于古菌数量，也就是说，细菌丰度高于古菌丰度;细菌门Proteobacteria(27.94％-36.51％),Acidobacteria(25.07％-33.33％)和Actinobacteria(11.72％-18.34％)是丰度最高的门类，古菌门Thaumarchaeota是丰度最高的门类。
　　(2)海拔对4种栎属植物根际细菌和古菌的菌群组成和多样性具有显著的影响。海拔高度会影响土壤的物理和化学性质。海拔高度与含水量、有机质含量呈正相关，而与pH呈负相关。主成分(PCA)、冗余(RDA)和皮尔森相关性分析都可以看出:pH和海拔高度对森林根际细菌和古菌菌群结构和多样性起着重要的作用，土壤含水量、有机质、总氮和总磷与任何根际微生物的相对丰度（relative abundance）均无显著相关关系。较低海拔（＜500米）的细菌OTUs个数和Chao1多样性指数要显著高于较高海拔（500-1000米）;但是古菌的OTUs个数和Chao1指数在两个分组之间并没有显著的差别。低海拔样点、中海拔样点和稍高海拔样点的LEfSe分析显示，在低海拔样点中Actinobacteria和Gammaproteobacteria具有比较高的丰度，在中海拔样点中Betaproteobacteria纲、Burkholderia属含量比较高，稍高海拔样点中菌种Gemmatimonas（Gemmatimonadetes）丰度比较高。
　　(3)不同栎属植物的根际细菌和古菌的菌群组成和丰度差异不显著。变形菌门（Proteobacteria），酸杆菌门(Acidobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)在所有的栎树根际中占有优势地位。
　　(4)在变形杆菌的谱系中，随着土壤pH值的增加，δ-Proteobacteria的相对丰度逐渐降低，α-Proteobacteria、β-Proteobacteria和γ-Proteobacteria的相对丰度与土壤pH值无显著的相关性。
　　本研究结果说明，落叶栎类根际微生物多样性比较丰富，丰度高，不同海拔的微生物在组成和多样性方面有明显的差异。这些结果对未来在落叶栎类树种的选择、人工造林和栽培管理方面更好地利用根际微生物提供了科学数据，为筛选有助于栎类生长的土壤微生物类群提供了技术支撑。也为在植被恢复时，根据当地土壤微生物情况，选择合理树种和根际微生物提供了理论支持。
　　论文在研究方法和崂山栎类根际微生物多样性研究方面有创新。
　　今后，将在不同季节、不同植被类型等方面做比较研究，并在温室人工控制条件下进行栽培对比实验，进一步确认栎属植物树种差别是否会影响根际微生物菌群丰度和组成，并且筛选出可以促进栎类生长发育的菌种，期望获得理论上的突破和更有力的数据和证据。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 前言

1．1 暖温带落叶栎林植被特征与现状

1．2 落叶栎林的有关研究

1．3 森林土壤微生物研究进展

1．4 土壤微生物多样性的研究方法

1．5 研究的目的、关键问题与意义

第二章 研究地点、内容和实验方法

2．1 研究地点概况

2．2 研究内容

2．3 土壤样品采集

2．4 实验方法

2．4．1 土壤基本性质分析

2．4．2 土壤DNA的提取

2．5 数据处理

2．5．1 基本数据处理

2．5．2 测序数据的分析与处理

2．5．4 群落heatmap图

2．6 技术路线图

第三章 不同栎类根际土壤微生物多样性研究

3．1 细菌与古菌的多样性分析

3．1．1 细菌与古菌的α-多样性

3．1．2 细菌与古菌的β-多样性

3．2 细菌和古菌的群落组成

3．2．1 细菌群落组成

3．2．2 古菌群落组成

3．3 决定微生物群落的环境因素

3．4 讨论

3．5 本章小结

第四章 海拔对根际微生物群落多样性的影响

4．1 不同海拔样品采集

4．2 古菌和细菌的多样性

4．3 细菌和古菌群落结构

4．4 影响根际微生物群落的重要因素

4．5 讨论

4．6 本章小结

第五章 结论和展望

5．2 创新点

5．3 研究展望

参考文献

致谢

附录

攻读博士期间发表的学术论文