降水变化条件下荒漠草原优势植物根际微生物群落结构和多样性特征研究

doi:10.11686/cyxb2024246

摘要/Abstract

摘要：

通过探究荒漠草原优势种植物根际土壤微生物对降水变化的响应，以期为荒漠草原植物根系与微生物互作机制提供理论依据。以宁夏荒漠草原优势种植物短花针茅、牛枝子、银灰旋花为研究对象，设置了增雨50%、增雨30%、对照组、减雨30%、减雨50%共5个处理，采用高通量测序的方法，研究了不同降水量下，荒漠草原优势种植物根际微生物群落结构与多样性差异。结果表明：荒漠草原优势种植物的地上生物量随着降水的增加而增加，与土壤含水量呈显著正相关（P<0.05）。3种优势植物根际土壤中，细菌群落的优势菌门主要包括放线菌门、变形菌门、酸杆菌门以及拟杆菌门；真菌群落的优势菌门有子囊菌门和担子菌门。在所有降水变化处理中，根际细菌群落对水分的敏感性均高于真菌群落。其中，在减雨30%处理下，优势物种的真菌与细菌OTUs数量均达到最大值，其根际土壤微生物活动最为强烈。银灰旋花根际细菌群落中的蓝藻门、拟杆菌门相对丰度高于牛枝子和短花针茅，浮霉菌门、酸杆菌门的相对丰度低于牛枝子和短花针茅。牛枝子和短花针茅根际微生物群落的组成具有较高相似性，而银灰旋花与牛枝子和短花针茅根际微生物群落相似度较低。在土壤理化性质中，全磷与短花针茅根际土壤细菌群落多样性显著负相关（P<0.05）；全钾与银灰旋花根际细菌群落的多样性呈显著正相关（P<0.05），与短花针茅真菌群落的多样性呈显著负相关（P<0.05）；土壤pH值与牛枝子根际土壤细菌群落的多样性显著正相关（P<0.05），与银灰旋花根际土壤真菌群落多样性显著负相关（P<0.05）。短花针茅和牛枝子根际土壤微生物群落物种之间具有显著相关关系，存在一定的互补共生效应。

关键词: 荒漠草原, 优势植物, 降水变化, 高通量测序, 根际微生物群落

Abstract:

The aim of this study was to explore the responses of rhizosphere soil microorganisms of dominant plant species on the Ningxia desert steppe to changes in precipitation. The overall aim was to broaden our understanding of the interactions between microorganisms and the roots of important plants on the desert steppe. Three plant species were selected for analysis of their rhizobial communities： Stipa breviflora， Lespedeza potaninii， and Convolvulus ammannii. Five rainfall treatments were established： 50% increase in rainfall， 30% increase in rainfall， control group， 30% decrease in rainfall， and 50% decrease in rainfall. High-throughput sequencing data were analyzed to determine differences in the structure and diversity of the rhizosphere microbial communities of the three dominant species on the desert steppe under different precipitation treatments. The results showed that the aboveground biomass of dominant plant species on the desert steppe increased with increasing precipitation， and was significantly positively correlated with the soil water content （P<0.05）. In the rhizosphere soil of the three dominant plants， the dominant bacterial phyla were Actinomycetes， Proteobacteria， Acidobacteria， and Bacteroidetes. The dominant phyla in the fungal community were Ascomycetes and Basidiomycetes. In all the treatments， the rhizosphere bacterial communities were more sensitive than the fungal communities to the water level. The maximum numbers of fungal and bacterial operational taxonomic units， and the highest microbial activity in rhizosphere soil， were in the 30% decreased rainfall treatment. The relative abundance of Cyanobacteria and Bacteroidetes in the rhizosphere bacterial community was higher in C. ammannii than in L. potaninii and S. breviflora， while the relative abundance of Planctomycetota and Acidobacteriota in the rhizosphere bacterial community was lower in C. ammannii than in than in L. potaninii and S. breviflora. The rhizosphere microbial communities were similar in L. potaninii and S. breviflora， but that of C. ammannii was different. The diversity of the bacterial community in the rhizosphere of S. breviflora was significantly negatively correlated with total phosphorus （P<0.05）. The diversity of the bacterial community in the rhizosphere of C. ammannii was significantly positively correlated with total potassium （P<0.05）， However，the diversity of the total microbial community in the rhizosphere of S. breviflora was significantly negatively correlated with total potassium （P<0.05）. Soil pH was significantly positively correlated with the diversity of the rhizosphere soil bacterial community （P<0.05）， and negatively correlated with the diversity of the rhizosphere soil fungal microbial community （P<0.05）. There was a significant correlation between the rhizosphere soil microbial communities of L. potaninii and S. breviflora， and there was a certain complementary symbiotic effect.

Key words: desert steppe, dominant plants, precipitation variability, high-throughput sequencing, rhizosphere microbial community

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图/表 8

表1 荒漠草原植物群落物种组成与重要值

Table 1 Species composition and importance values of desert steppe plant communities

物种 Species	重要值Important values
物种 Species	+50%	+30%	CK	-30%	-50%
短花针茅S.breviflora	0.74±0.09	0.68±0.24	0.69±0.08	0.94±0.03	0.95±0.13
牛枝子L.potaninii	0.44±0.06	0.31±0.07	0.21±0.01	0.47±0.03	0.19±0.08
银灰旋花C. ammannii	0.10±0.04	0.16±0.04	0.30±0.05	0.20±0.02	0.21±0.06
米口袋Gueldenstaedtia verna	0.26±0.03	0.07±0.01	0.12±0.06	0.08±0.01	0.12±0.07
砂珍棘豆Oxytropis racemosa	0.18±0.05	0.02±0.01	0.10±0.06	0.05±0.04	0.06±0.02
二裂委陵菜Potentilla bifurca	0.07±0.05	0.05±0.03	0.18±0.10	0.06±0.05	0.08±0.07
远志Polygala tenuifolia	0.13±0.01	0.19±0.08	0.07±0.02	0.11±0.06	0.25±0.07
骆驼蒿Peganum nigellastrum	0.18±0.08	0.12±0.04	0.06±0.02	0.17±0.09	0.14±0.09
赖草Leymus secalinus	0.31±0.16	0.56±0.28	0.22±0.21	-	0.18±0.17
白草Pennisetum flaccidum	0.24±0.13	0.08±0.04	0.40±0.08	0.03±0.01	0.22±0.16
猪毛蒿Artemisia scoparia	0.45±0.03	0.15±0.05	0.42±0.21	-	-
猫头刺Oxytropis aciphylla	0.02±0.01	0.08±0.07	0.23±0.03	-	0.02±0.01
老瓜头Vincetoxicum mongolicum	-	0.01±0.00	-	0.16±0.05	-
地锦草Euphorbia humifusa	0.06±0.04	-	-	-	0.04±0.01
甘草Glycyrrhiza uralensis	-	-	-	0.25±0.14	0.13±0.03
乳浆大戟Euphorbia esula	0.12±0.04	0.04±0.01	-	0.11±0.04	-

表3 降水变化对土壤理化性质、土壤含水量的影响

Table 3 Effects of precipitation changes on soil physicochemical properties and soil moisture content

项目 Item	土层深度 Soil depth （cm）	处理Treatment
项目 Item	土层深度 Soil depth （cm）	+50%	+30%	CK	-30%	-50%
全氮Total nitrogen （TN， mg·kg^-1）	0~10	0.63±0.10aA	0.53±0.06aA	0.59±0.12aA	0.56±0.07aA	0.57±0.13aA
	10~20	0.45±0.08bA	0.46±0.08abA	0.33±0.06bA	0.39±0.11abA	0.40±0.02bA
	20~40	0.36±0.05bA	0.35±0.02bA	0.42±0.03bA	0.37±0.06bA	0.37±0.03bA
全磷Total phosphorus （TP， mg·kg^-1）	0~10	0.59±0.07aA	0.53±0.04abA	0.51±0.04bA	0.52±0.05abA	0.51±0.07aA
	10~20	0.45±0.05bA	0.46±0.07bA	0.38±0.03cA	0.42±0.06bA	0.42±0.03aA
	20~40	0.58±0.07abA	0.56±0.03aA	0.60±0.04aA	0.57±0.04aA	0.52±0.07aA
全钾Total patassium （TK， mg·kg^-1）	0~10	18.36±0.79aA	18.08±0.25aA	19.11±1.35aA	17.53±0.28aA	17.87±0.05aA
	10~20	18.55±0.44aA	17.38±0.30aA	18.74±0.38aA	17.69±0.20aA	17.96±0.39aA
	20~40	18.13±0.75aA	17.95±0.42aA	18.99±0.53aA	17.43±0.37aA	17.70±0.49aA
pH	0~10	8.95±0.07aA	8.87±0.17abA	7.62±1.84aA	8.79±0.40aA	9.02±0.16aA
	10~20	9.15±0.75aA	8.76±0.04bA	8.78±0.11aA	8.98±0.22aA	8.98±0.14aA
	20~40	8.99±0.18aAB	9.01±0.05aAB	8.83±0.09aB	9.08±0.12aA	9.08±0.07aA
土壤含水量 Soil moisture content （GWC， %）	0~10	9.81±2.45aA	3.14±0.64cB	1.87±0.28cBC	1.85±0.20abBC	1.16±0.14cC
	10~20	6.06±0.19bA	6.23±0.04bA	3.31±0.13bB	2.33±0.13aC	4.07±0.53bB
	20~40	10.29±0.49aB	14.92±1.46aA	4.94±0.08aC	3.81±0.16aC	4.81±0.43aC

图1 根际土壤细菌群落相对丰度差异与韦恩图a：不同物种根际细菌群落门水平相对丰度Relative abundance of rhizosphere bacterial community at phylum levels of different species； b：不同降水处理根际细菌群落门水平相对丰度Relative abundance of rhizosphere bacterial community at phylum levels under different precipitation treatments； c：不同物种根际土壤细菌群落的韦恩图Venn diagram of rhizosphere soil bacterial community of different species； d：不同降水处理根际土壤细菌群落的韦恩图Venn diagram of rhizosphere soil bacterial community under different precipitation treatments. NZZ：牛枝子L. potaninii； ZM：短花针茅S. breviflora； YHXH：银灰旋花C. ammannii. Actinobacteriota：放线菌门； Proteobacteria：变形菌门； Acidobacteriota：酸杆菌门； Bacteroidota：拟杆菌门； Chloroflexi：绿弯菌门； Planctomycetota：浮霉菌门； Cyanobacteria：蓝藻门； Gemmatimonadota：芽单胞菌门； Myxomycota：粘菌门； Armatimonadota：装甲菌门； Verrucomicrobiota：疣微菌门； Unassigned：未分类菌门； Firmicutes：厚壁菌门； Methylomirabilota：巴纽尔斯菌门； Abditibacteriota：芽枝霉门； Others：其他门类。下同The same below.

Fig.1 Differences in the relative abundance of bacterial communities in rhizosphere soil and Venn diagram

图2 根际土壤真菌群落相对丰度差异与韦恩图a：不同物种根际真菌群落门水平相对丰度Relative abundance of rhizosphere fungal community at phylum level of different species； b：不同降水处理根际真菌群落门水平相对丰度Relative abundance of rhizosphere fungal community at phylum levels under different precipitation treatments； c：不同物种根际土壤真菌群落的韦恩图Venn diagram of rhizosphere soil fungal communities of different species； d：不同降水处理根际土壤真菌群落的韦恩图Venn diagram of the fungal community in rhizosphere soil under different precipitation treatments. Ascomycota：子囊菌门； Basidiomycota：担子菌门； Glomeromycota：球囊菌门； Chytridiomycota：壶菌门； Mortierellomycota：被孢菌门； Rozellomycota：隐真菌门. 下同The same below.

Fig.2 Differences in the relative abundance of fungal communities in rhizosphere soil and Venn diagram

图3 降水变化对细菌微生物群落多样性指数的影响s：物种Species； t：处理Treatment. *代表有显著影响（P<0.05）；**代表有极显著影响（P<0.01）；***代表极显著差异（P<0.001）；ns代表无显著影响。* represents significant influence （P<0.05）； ** represents extremely significant influence （P<0.01）； *** represents extremely significant difference （P<0.001）； ns represents no significant influence （P≥0.05）. 下同The same below.

Fig.3 Effect of precipitation change on bacterial microbial community diversity index

图4 降水变化对真菌微生物群落多样性指数的影响

Fig.4 Effect of precipitation changes on fungal microbial community diversity index

图5 不同植物与不同降水处理下根际土壤细菌、真菌群落结构的主坐标分析a：不同物种根际细菌群落Rhizosphere bacterial communities of different species； b：不同降水处理根际细菌群落Rhizosphere bacterial community under different precipitation treatments； c：不同物种根际真菌群落Rhizosphere fungal communities of different species； d：不同降水处理根际真菌群落Rhizosphere fungal communities under different precipitation treatments.

Fig.5 Principal coordinate analysis of bacterial and fungal community structure in rhizosphere soil under different plant and precipitation treatments

图6 优势植物根际土壤微生物群落多样性与植物地上生物量及其环境因子的相关性分析a：短花针茅S. breviflora； b：牛枝子L. potaninii； c：银灰旋花C. ammannii. ACE（xj）：细菌群落的ACE指数ACE index of bacterial communities； ACE（zj）：真菌群落的ACE指数ACE index of fungal communities； TN：全氮Total nitrogen； TP：全磷Total phosphorus； TK：全钾Total potassium； GWC：土壤含水量Soil moisture content； DW：地上生物量Aboveground biomass.

Fig.6 Correlation analysis of soil microbial community diversity in the rhizosphere of dominant plants， aboveground biomass of plants and their environmental factors

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