天昊客戶新文：西瓜種植可以重塑被還原性土壤消毒調節(jié)的土壤微生物群落結構

發(fā)稿時間：2018-08-01來源：天昊生物

 

南京師范大學地理科學學院近期在《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節(jié)的土壤微生物群落結構的文章。在這項研究中天昊生物有幸承擔了樣品的擴增子測序工作。在恭喜客戶又發(fā)表文章同時，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節(jié)的土壤微生物群落結構

期刊名：Applied Soil Ecology     

發(fā)表時間： 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釋放各種各樣的化合物來驅動和塑造微生物群落。此外，越來越多的研究表明，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調節(jié)的土壤微生物群落對植物栽培的響應仍不清楚。因此，本文提出以下兩個假設：1）RSD處理和對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?。?/span>2）RSD處理和對照組土壤中的微生物群落在植物生長后趨于相似，因為某些根系分泌物能夠選擇一些相似的特定土壤微生物群。

研究對象：

本試驗所用土壤收集自江蘇省農業(yè)科學院，西瓜在該土壤中連續(xù)栽培多年，最終遭受嚴重枯萎病。在中國廣西糖廠獲得了有機物料糖發(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。簡而言之，實驗完全隨機設計，重復三次，每個重復包含10盆，做以下處理：（1）CK，4kg土壤裝入盆中，無需有機物改良劑、灌溉和密封；（2）RSD，4kg土壤摻入2%（V/W）有機物料糖發(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，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8 mm篩并充分混合。將10盆土壤（每盆取30g土壤）合并成一個土壤樣品，每個處理3個生物學重復。收集的土壤分別保存在4°C和-80°C下做進一步分析。

取樣后，每千克土壤摻入1g（W/W）無機復合肥（N:P:K:16:16:16），然后將一株含有三個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。經過40天的生長后，每十天記錄一次植物的病情指數(shù)和芽長，在栽培結束后調查根長和生物量。還用上述策略收集土壤樣品（分別定義為CK-C和RSD-C）做進一步分析。

MiSeq測序：細菌測序區(qū)段（V4）；真菌測序區(qū)段（ITS1）

研究結果：

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、長度及病情指數(shù)

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

土壤細菌、真菌和尖孢鐮刀菌

總體而言，與CK相比，RSD處理對細菌和真菌的種群大小沒有顯著影響。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組中細菌數(shù)量均無顯著增加，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菌（A）、真菌（B）、尖孢鐮刀菌（C）豐度。

RSD處理對細菌/真菌的比例沒有顯著影響，然而在種植西瓜后，CK-C和RSD-C組中細菌/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，這種趨勢仍然存在（圖2B）。

 

圖2  RSD處理和西瓜栽培后細菌/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

與對照相比， RSD處理后細菌的豐富度、真菌香農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菌多樣性、均勻度均顯著降低，而細菌豐富度在兩個處理組中均無顯著下降。除了RSD-C處理中真菌均勻度顯著高于CK-C處理之外，其余的細菌和真菌α多樣性在CK-C和RSD-C土壤之間沒有顯著差異。

土壤微生物群落結構與組成

PCoA顯示，與CK處理相比，RSD處理顯著地影響土壤細菌和真菌群落結構（圖3A、B）。然而，在西瓜栽培（CK-C與RSD-C）之后，土壤細菌和真菌群落又發(fā)生了變化，并趨于相似，特別是對于細菌群落（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，細菌，B，真菌）的PCoA分析?；诩毦?/span>C）和真菌（D）優(yōu)勢菌群分布的PCA分析。RDA圖顯示了優(yōu)勢菌群（E，細菌，F，真菌）和環(huán)境因子之間的關系?！?/span>

細菌和真菌門水平

•  與CK處理相比，在RSD組中，優(yōu)勢細菌門Firmicutes, OD1, Acidobacteria, Chlorobi以及優(yōu)勢真菌門的Ciliophora顯著增加，而細菌門Actinobacteria, TM7, Chloroflexi, Gemmatimonadetes相對豐度在RSD組中顯著增加（表3）。
• 西瓜種植后細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)勢類群的相對豐度趨于相似（圖3C、D）。
• 此外，RSD-C土壤中Bacteroidetes（細菌）和Ascomycota（真菌）的相對豐度顯著高于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)勢菌門

細菌和真菌屬水平

• 與CK處理相比，RSD處理組中細菌優(yōu)勢屬Uc-Bacteroidales, Flavisolibacter, UcIgnavibacteriaceae，Gracilibacter以及真菌優(yōu)勢屬Peziza, Uc-Basidiomycota, Ciliophora顯著增加。在RSD處理中，細菌屬UcTM7-1, Uc-Cytophagaceae, Uc-A4b, Uc-CFB-26以及真菌屬Davidiella，Uc-Pezizomycetes的相對豐度顯著降低（圖4）。
• 細菌類群和真菌屬組成的變化類似于門級的變化：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)勢類群的相對豐度趨于相似。
•  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（圖4）。
• 此外，在RSD處理中，上述顯著增加的菌屬隨西瓜生長量的增加而顯著降低，而細菌屬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細菌和top10真菌的相對豐度。

土壤優(yōu)勢屬與環(huán)境因子的關系

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

研究結論：

1. 結果表明，RSD處理能顯著抑制尖孢鐮刀菌與鐮刀菌枯萎病，促進西瓜生長，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。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照類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性，西瓜播種后枯萎病土壤傳導性迅速恢復。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，它們有足夠的強大動力通過篩選微生物庫來選擇相似的菌群。