全 文 ：亚热带不同林分土壤氨氧化菌群落特征*
李永春1 摇 刘卜榕1,2 摇 郭摇 帅1 摇 邬奇峰3 摇 秦摇 华1 摇 吴家森1 摇 徐秋芳1**
( 1浙江农林大学环境与资源学院 /浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室, 浙江临安 311300; 2江苏省射阳县农
业委员会, 江苏射阳 224300; 3浙江省临安市农业技术推广中心, 浙江临安 311300)
摘摇 要摇 为揭示亚热带不同森林类型对土壤氨氧化菌群落特征的影响,采用荧光定量 PCR
以及 PCR鄄DGGE技术研究了阔叶林、杉木林、马尾松林和毛竹林土壤氨氧化古菌和细菌丰度
及古菌群落结构特征. 结果表明: 不同林分土壤中氨氧化古菌数量(1. 62 伊106 ~ 1. 88 伊107
个·g-1干土)高于相应土壤中的氨氧化细菌(2. 41伊105 ~ 4. 36伊105个·g-1干土);毛竹林土壤
氨氧化古菌数量显著高于杉木林,而后者又显著高于阔叶林和马尾松林,但氨氧化细菌数量
在不同林分之间没有显著差异. DGGE 图谱分析表明,不同林分土壤中氨氧化古菌的物种有
所差异,且毛竹林和杉木林土壤古菌群落结构迥异.氨氧化古菌在亚热带主要林分土壤中表
现出明显优势,且除植被类型外,土壤速效钾、pH 和有机质是引起土壤氨氧化古菌群落结构
及多样性变异的主要因素.
关键词摇 森林类型摇 土壤摇 氨氧化细菌摇 氨氧化古菌摇 丰度摇 群落结构
文章编号摇 1001-9332(2014)01-0125-07摇 中图分类号摇 S154. 36摇 文献标识码摇 A
Characteristics of soil ammonia鄄oxidation microbial communities in different subtropical for鄄
ests, China. LI Yong鄄chun1, LIU Bu鄄rong1,2, GUO Shuai1, WU Qi鄄feng3, QIN Hua1, WU Jia鄄
sen1, XU Qiu鄄fang1 ( 1Zhejiang Provincial Key Laboratory of Carbon Cycling in Forest Ecosystems
and Carbon Sequestration, School of Environmental and Resources, Zhejiang Agriculture and Forestry
University, Lin爷 an 311300, Zhejiang, China; 2Sheyang Commission of Agriculture, Sheyang
224300, Jiangsu, China; 3Lin爷an Extending Station for Agricultural Technique, Lin爷an 311300,
Zhejiang, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. , 2014, 25(1): 125-131.
Abstract: To investigate the effects of different forest stands in subtropical China on the communi鄄
ties of soil ammonia鄄oxidizing microorganisms, we characterized the abundance of ammonia鄄oxidi鄄
zing archaea (AOA) and bacteria (AOB), and the community structure of AOA in soils under
stands of broad鄄leaved (BF), Chinese fir (CF), Pinus massoniana (PF) and moso bamboo (MB)
forests using real鄄time quantitative PCR and denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE). The
results showed that the AOA gene copy numbers (1. 62伊106-1. 88伊107 per gram of dry soil) were
significantly higher than those of AOB genes (2. 41伊105-4. 36伊105 per gram of dry soil) . Signifi鄄
cantly higher soil AOA abundance was detected in the MB than that in the CF (P<0. 05), and the
latter was significantly higher than that in the BF and PF soils (P<0. 05). There were no signifi鄄
cant differences in the soil AOB abundance among the four forest stands. As indicated by DGGE
pattern, soil AOA species varied among the four forest stands. There was a difference in the soil
AOA communities between the CF and MB stands. The AOA demonstrated a competitive advantage
over the AOB in the soils under these major subtropical forests. Soil pH, concentrations of soil
available potassium and organic carbon as well as the forest type were the main factors that influence
the variation of AOA community structure and diversity.
Key words: forest type; soil; ammonia鄄oxidation bacteria ( AOB); ammonia鄄oxidizing archaea
(AOA); abundance; community structure.
*国家自然科学基金项目(41271274)和浙江省自然科学基金项目(Y3100578)资助.
**通讯作者. E鄄mail: xuqiufang@ zafu. edu. cn
2013鄄05鄄13 收稿,2013鄄10鄄28 接受.
应 用 生 态 学 报摇 2014 年 1 月摇 第 25 卷摇 第 1 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2014, 25(1): 125-131
摇 摇 氮素不仅是植物生长和发育所需的重要元素,
也是植物从土壤中吸收最多的元素.在森林土壤中,
氮素相对于其他化学元素更容易从土壤中淋失或挥
发[1] .一般认为,氮的有效性往往影响森林生态系
统的生产力[2],不同森林生态系统中氮循环与生产
力之间存在着相关性[3] . 在森林生态系统中,植物
从土壤中吸收氮的主要形式为铵态氮和硝态氮,由
于许多植物表现出对硝态氮的偏好,导致森林土壤
中硝化作用较为明显[4] .以微生物为媒介的氨氧化
作用是硝化作用的初始步骤,也是生态系统氮循环
的中心环节和限速步骤[5] . 自 100 多年前细菌氨氧
化作用首次被发现以来[6],人们对氮循环的微生物
过程已有不少认识. 以往认为土壤硝化作用由氨氧
化细菌( ammonia鄄oxidizing bacteria, AOB)完成,近
年来的研究表明,广泛分布在海洋、湖泊和土壤等多
种生态系统中的氨氧化古菌( ammonia鄄oxidizing ar鄄
chaea, AOA)也参与了氨氧化过程[7-8] .对氨氧化细
菌和古菌生态特征的充分认识,将为环境质量变化
提供预测、预警并为生态系统中氮元素的有效管理
提供重要依据[5] .
在森林生态系统中,土壤的理化性质受凋落物、
根活性和相关微气象因子的影响,其中树种组成起
着决定性作用[9] .不同林型的土壤生物学特性与其
林木种植结构之间密切相关,这是因为林木生长代
谢过程中所产生的凋落物对于森林生态系统的自肥
作用起着关键作用[10],林分凋落物成分直接影响土
壤微生物区系和酶活性[11] .由于针阔混交林和阔叶
林的凋落物通常多于针叶林[12],故这两种类型森林
生态系统的自肥作用相对较强,碳氮含量明显高于
针叶林土壤,其较丰富的生物多样性以及能量和营
养环境有利于微生物的生存和繁殖;而杉木类针叶
林的枯枝落叶含水量低、叶厚、酯溶性物质多、C / N
值较大,不利于微生物利用[13] .研究表明,土壤环境
因子如铵浓度、温度[14]、施肥处理、pH[15-16]以及植
被等对不同的氨氧化细菌及古菌种群均具有特异选
择性,因此,氨氧化微生物作为潜在的土壤质量生物
学指标受到广泛关注[5,17] .
我国亚热带森林面积为 250伊104 km2,在全球森
林生态系中具有独特的植被类型及结构特征[18] .前
期研究证实,亚热带典型森林植被类型对土壤细菌
群落结构有一定的影响[19],但较少关注调控土壤 N
循环过程的氨氧化微生物特征. 研究亚热带不同森
林类型土壤氨氧化菌,将有助于我们认识亚热带森
林生态系统氮循环过程,了解自然森林土壤的硝化
作用.因此,本文以亚热带地区典型的阔叶林、杉木
林、马尾松林和毛竹林为研究对象,采用聚合酶链反
应(polymerase chain reaction, PCR) 、变性梯度凝胶
电泳(denaturing gradient gel electrophoresis, DGGE)
及荧光定量 PCR 方法,研究 4 种主要林分土壤氨氧
化菌群落特征,以揭示不同植被类型对氨氧化菌群
落结构及丰度的影响,探讨植物类型、土壤氨氧化菌
群落结构及多样性与土壤氮素供应之间的相关关
系,以期为造林树种合理搭配、构建健康稳定的生态
系统提供理论依据.
1摇 研究区域与研究方法
1郾 1摇 研究地概况
研究地位于浙江省临安市玲珑山(30毅14忆 N,
119毅42忆 E),海拔 353 m.年均气温 15. 8 益,年均降
水量 1424 mm,无霜期 236 d. 该区属中亚热带季风
气候,温暖湿润,光照充足,雨量充沛,四季分明.土
壤为发育于凝灰岩的黄红壤.
1郾 2摇 土壤样品采集与处理
为研究亚热带 4 种主要植被类型土壤氨氧化菌
的群落特征,在母岩一致(钙质泥岩)但植被类型不
同的林区,选择典型的阔叶林、杉木林、马尾松林和
毛竹林 4 种林分,分别在每种林分的下坡位、中坡
位、上坡位确定采样区,在采样区 10 m伊20 m 范围
内按 X型确定 8 个样点,采集 0 ~ 20 cm的土壤样品
后按采样区混合均匀,4 种林分共得到 12 个(4伊3)
混合土样.样品采集区阔叶林、杉木林和马尾松林下
均有丛生灌木,有蕨类植物. 毛竹林下植被很少,仅
有稀疏的草本植物.新鲜土样充分混匀后,去除大的
石块和植物残体,过 2 mm钢筛后分为两份,一份立
即冷冻干燥,用于提取土壤微生物 DNA,供氨氧化
微生物群落结构及定量分析使用;另一份于室内自
然风干,研磨过筛后用于土壤基本理化性质分析.
1郾 3摇 主要试剂与引物
PowerSoilTM总 DNA 提取试剂盒购于美国 Mo
Bio 公司;Taq DNA 聚合酶、SYBR襆 Premix ExTaqTM、
pMD 18鄄T 载体、凝胶回收试剂盒以及质粒提取试剂
盒均购于宝生物工程公司(TakaRa,大连);荧光染
料 SYBR green玉购于美国 Invitrogen 公司;引物由生
工生物工程( 上海) 有限公司合成.
1郾 4摇 分析方法
1郾 4郾 1 土壤化学性质摇 土壤化学性质分析参照文献
[20]进行.土壤 pH 值采用 1 颐 5 土水比,复合电极
测定;有机质含量重铬酸钾鄄硫酸外加热法测定;碱
621 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
表 1摇 玲珑山不同林分土壤化学性质
Table 1摇 Chemical property of different forest soils in Linglong Mountain (mean依SE)
林分
Forest stand
pH
(H2O)
有机质
Organic matter
(g·kg-1)
碱解氮
Hydrolyzed N
(mg·kg-1)
速效磷
Available P
(mg·kg-1)
速效钾
Available K
(mg·kg-1)
阔叶林 Broad鄄leaved forest 4. 16依0. 01a 71. 61依33. 85a 207. 4依77. 1a 5. 16依6. 12a 96. 67依20. 82ab
杉木林 Chinese fir forest 4. 11依0. 03a 48. 40依4. 38a 148. 1依29. 2a 3. 89依1. 01a 93. 33依5. 77b
马尾松 Pinus massoniana forest 4. 14依0. 07a 76. 96依29. 25a 167. 5依42. 2a 3. 08依1. 29a 110. 00依17. 30a
毛竹林 Moso bamboo forest 4. 07依0. 06a 56. 52依1. 34a 165. 9依19. 6a 1. 62依0. 24a 143. 33依40. 40ab
同列不同字母表示差异显著(P<0. 05) Different letters in the same column meant significant difference at 0. 05 level. 下同 The same below.
解氮采用碱解扩散法;速效磷采用 Bray 法,盐酸鄄氟
化铵溶液浸提,钼锑抗比色法测定;速效钾采用醋酸
铵提取,火焰光度计测定.不同林分土壤化学性质分
析结果见表 1.
1郾 4郾 2 土壤总 DNA提取及纯化摇 采用 PowerSoilTM总
DNA提取试剂盒提取土壤总 DNA,称取 0. 25 g 于
-20 益保存的土壤样品,按试剂盒说明书进行土壤
DNA提取;用 1% 的琼脂糖凝胶电泳检测所提取
DNA 片段大小, 提取后的 DNA 样品保存于
-20 益下.
1郾 4郾 3 土壤氨氧化古菌的 DGGE 分析摇 氨氧化古菌
(AOA)和氨氧化细菌(AOB)的引物对分别为 Arch鄄
amoAF / Arch鄄amoAR[7]和 amoA鄄1F / amoAr鄄2R[21],其
中,Arch鄄amoAR 在 5端加一段 GC 夹: cgc ccg ccg
cgc ccc gcg ccc ggc ccg ccg ccc ccg ccc c[22] . 使用
Bio鄄Rad公司的 S鄄1000 PCR 仪对土壤总 DNA 进行
扩增. 反应体系为:10 伊PCR 缓冲液 2. 5 滋L,MgCl2
(25 mmol·L-1 ) 2. 0 滋L, dNTP (2. 5 mmol·L-1 )
2. 0 滋L,引物(10 滋mol·L-1)各 0. 25 滋L,Taq DNA
聚合酶(5 U·滋L-1)0. 25 滋L,模板 DNA 1. 0 滋L,用
无菌双蒸水补足至 25 滋L. PCR 反应扩增程序见文
献[7].待 PCR 结束后,取 3 滋L 反应产物用 1. 0%
的琼脂糖凝胶进行电泳,检测产物及其长度.
采用 DcodeTM通用突变检测系统(Bio鄄Rad)检测
氨氧化古菌 amoA 基因的 PCR 产物,在 30% ~ 60%
的 6%聚丙烯酰胺凝胶上进行电泳. 电泳前对 PCR
产物进行定量、校正,使上样量一致. 在 60 益80 V
条件下电泳 13 h后, SYBR green 玉染色 30 min,染
色结果用 Gel DocTM EQ (Bio鄄Rad) 凝胶成像系统成
像,使用 Quantity One 4. 4 软件(Bio鄄Rad) 进行图像
分析.
1郾 4郾 4 amoA 基因的定量 PCR 摇 采用 SYBR Premix
Ex TaqTM试剂盒,使用 Bio鄄Rad CFX96 C1000TM Ther鄄
mal Cycler 仪器对土壤氨氧化细菌和氨氧化古菌
amoA基因进行荧光定量 PCR 扩增,每个样品 3 次
重复.荧光定量 PCR 反应体系 25 滋L,SYBR Premix
Ex TaqTM 10 滋L,引物(50 滋mol·L-1)各0. 2 滋L,模
板 1. 0 滋L,无菌双蒸水补足至 25 滋L. amoA 基因荧
光定量 PCR 条件: 95 益 预变性 3 min; 接着
95 益 30 s;55 益30 s;72 益30 s. 氨氧化古菌 amoA
基因扩增时采用 35 个循环,氨氧化细菌则采用 38
个循环. 参照 He 等[15]的方法,以混合土样总 DNA
为模板进行氨氧化古菌和细菌的 amoA基因 PCR扩
增. qPCR 扩增产物经琼脂糖凝胶电泳回收后,与
pMD 18鄄T载体连接并转化到大肠杆菌(Escherichia
coli)DH5琢感受态细胞,在氨苄青霉素平板上进行
蓝白班筛选阳性克隆. 取部分阳性转化菌液送上海
生工进行测序,作为氨氧化古菌和细菌荧光定量
PCR分析的标准 DNA.质粒 DNA浓度使用 Nanodro鄄
p襆 ND鄄1000 测定,amoA 的基因拷贝数通过质粒的
浓度进行计算.以 10 倍梯度对重组质粒进行梯度稀
释(10-3 ~ 10-9 ),每个稀释度 3 次重复,荧光定量
PCR扩增获得氨氧化古菌和细菌的 amoA 基因标准
曲线.扩增效率>85% ,溶解曲线为单一峰,细菌和
古菌 amoA 基因的 qPCR 相关系数分别为 0郾 997 和
0郾 994.
1郾 5摇 数据处理与统计分析
采用 SPSS 18. 0 统计软件进行数据处理,使用
LSD法多重比较检验差异显著性.利用 Quantity One
4. 4 软件进行 DGGE 图谱分析,并采用未加权算术
平均对群法 ( unweighted pair鄄group method using
arithmetic averages, UPGMA) 法对 DGGE 图谱进行
聚类分析,运用 Dice Coefficient 法根据电泳图谱对
样品进行相似性分析. 使用 Shannon 多样性指数
(H)、Margalef丰富度指数(D)以及 Pielou 均匀度指
数(E)对氨氧化古菌微生物群落多样性进行分
析[23],其计算公式为:
H = - 移(ni / N)lg(ni / N)
D=(S-1) / lnN
E=H / lnS
式中:ni为每条电泳条带光密度峰值;N 是同一泳道
7211 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李永春等: 亚热带不同林分土壤氨氧化菌群落特征摇 摇 摇 摇 摇
中所有条带光密度峰值总和. 电泳条带光密度的峰
值通过分析软件 Quantity one 进行读取. S 为每一泳
道总的条带数.
使用 CANOCO 4. 5. 1 软件(Microcomputer Pow鄄
er, Ithaca, USA)对 DGGE 结果揭示的氨氧化古菌
群落结构进行主成分分析(PCA),并结合环境参数
进行冗余分析(RDA).
2摇 结果与分析
2郾 1摇 不同林分土壤氨氧化菌 amoA基因丰度
采用荧光定量 PCR 检测 4 种林分土壤氨氧化
古菌和细菌的数量变化,根据标准曲线计算出土壤
中氨氧化古菌和氨氧化细菌的拷贝数量. 由图 1 可
以看出,4 种林分土壤氨氧化古菌 amoA基因拷贝数
在 1. 62伊106 ~ 1. 88伊107 copies·g-1干土,氨氧化细
菌 amoA基因拷贝数则处于 2. 41 伊105 ~ 4. 36 伊105
copies·g-1干土.土壤氨氧化古菌 amoA基因的拷贝
数在 4 种林分之间差异明显,毛竹林显著高于其他
3 种林分(P<0. 05),杉木林又显著高于阔叶林和马
尾松林 (P < 0. 05). 而 4 种林分土壤氨氧化细菌
amoA基因的拷贝数之间并没有显著差异,其中毛竹
林土壤氨氧化细菌数量相对较高. 玲珑山 4 种林分
土壤均具有较高的氨氧化古菌 amoA 丰度(氨氧化
古菌 /氨氧化细菌>1),且比值由高到低次序为毛竹
(43. 26)、杉木(27. 38)、阔叶林(15. 82)和马尾松林
(7. 09).
2郾 2摇 不同林分土壤氨氧化菌群落结构及多样性
图 1摇 玲珑山 4 种林分土壤氨氧化古菌和细菌 amoA基因拷
贝数
Fig. 1摇 Gene copies of AOA and AOB amoA in different forest
soils of Linglong Mountain (mean依SE).
BF: 阔叶林 Broad鄄leaved forest; CF: 杉木林 Chinese fir forest; PF: 马
尾松林 Pinus massoniana forest; MB: 毛竹林 Moso bamboo forest.
AOB: 氨氧化细菌 Ammonia鄄oxidizing bacteria; AOA: 氨氧化古菌
Ammonia鄄oxidizing archaea. 下同 The same below. 不同字母表示林分
间差异显著 ( P < 0. 05 ) Different letters meant significant difference
among different forest stands at 0. 05 level.
摇 摇 采用氨氧化古菌和细菌特异性引物对 amoA 基
因进行 PCR扩增,经 1. 0%的琼脂糖凝胶电泳检测,
氨氧化古菌的 amoA 基因扩增片段均为 635 bp,纯
化后进行 DGGE分析(图 2a),但氨氧化细菌则经反
复试验后仍未得到清晰的扩增条带.统计结果表明,
玲珑山不同林分土壤中氨氧化古菌种群相对丰富,
阔叶林土壤样品平均有 20 条条带,杉木林有 20 条,
马尾松林为 21 条,毛竹林最少,为 18 条. 4 种林分
共出现 36 条不同位置的条带,比较各不同林分之间
的条带,发现 4 种林分共有 3 条共性条带(条带 1、6
和 15),另外条带 2、11 和 27 也是多数样品的共性
条带,说明不同森林植被下土壤氨氧化古菌物种的
差异比较明显.
摇 摇 以杉木林 CF1 样品为基准,应用 Quantity one 软
件分析 DGGE 图谱,与基准样品相似度越高,说明
古菌群落结构越相似.结果表明,同一林分的 CF2 和
CF3 样品与基准样最为相近,表明重复性较好.从图
2b可以看出,杉木林与毛竹林土壤的氨氧化古菌群
落结构相似度最低.总体来说,阔叶林和马尾松林自
身的 3 个重复之间相似度较低,而杉木林和毛竹林
的3个重复之间相似度较高. 通过未加权算术平均
图 2摇 玲珑山 4 种林分土壤氨氧化古菌群落的 DGGE 分析
(a)以及条带图谱的聚类分析(b)
Fig. 2摇 DGGE analysis ( a) and cluster analysis ( b) of AOA
amoA gene in different forest soils of Linglong Mountain.
图中数字代表 DGGE条带 The number represented DGGE band. 下同
The same below.
821 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 25 卷
对群法(UPGMA)进行聚类分析表明,12 个样品归
为一类的相似值仅为 0. 43,4 种林分中仅杉木林和
毛竹林的 3 个重复各自归为一类,说明其同一林分
的土壤样品氨氧化古菌的群落结构较相似,同时这
两种植被对土壤氨氧化古菌的影响比阔叶林和马尾
松林大.为更进一步考察不同林分土壤古菌群落之
间的相对相似度,进行了基于 DGGE 条带位置和相
对光密度值的主成分分析(PCA). 主成分 1 和 2 对
氨氧化古菌群落变异的解释量分别为 28. 7% 和
20郾 4% (图 3),杉木林和毛竹林的 3 个样品分别聚
在一起,且与阔叶林和马尾松林的样品明显分开.
摇 摇 Shannon指数反映了群落中物种的变化度或差
异度,受样本总数和均匀度的影响,一般来说,物种
丰富度高且分布较均匀的群落的 Shannon 指数较
高.对玲珑山 4 种林分土壤氨氧化古菌的 DGGE 条
带进行多样性指数分析发现(表 2),不同林分之间
古菌多样性没有显著差异,马尾松林土壤古菌的多
图 3摇 玲珑山 4 种林分土壤氨氧化古菌功能基因片段的
DGGE条带图谱的主成分分析
Fig. 3摇 Principal component analysis (PCA) of DGGE bands of
AOA amoA gene profiles from different forest soils of Linglong
Mountain.
表 2摇 玲珑山不同林分氨氧化古菌功能基因片段的 DGGE
条带图谱多样性指数
Table 2摇 Diversity indices of DGGE bands of AOA amoA
gene profiles from different forest soils of Linglong Moun鄄
tain.
林分
Forest stand
Shannon指数
Shannon index
(H)
丰富度指数
Richness index
(D)
均匀度指数
Evenness index
(E)
阔叶林
Broad鄄leaved forest
2. 936a 0. 99a 1. 794a
杉木林
Chinese fir forest
2. 945a 0. 992a 1. 795a
马尾松林
Pinus massoniana forest
3. 016a 0. 992a 1. 962a
毛竹林
Moso bamboo forest
2. 861a 0. 99a 1. 653a
图 4摇 氨氧化古菌功能基因片段的 DGGE 条带与土壤性质
的冗余分析
Fig. 4 摇 RDA of amoA gene banding profiles of AOA and soil
chemistry properties.
AK: 速效钾 Available K; OM: 有机质 Organic matter; AP: 速效磷
Available P; HN: 碱解氮 Hydrolyzed N.
样性相对高于其他 3 种林分.
2郾 3摇 土壤性质对 4 种林分土壤氨氧化古菌群落结
构的影响
以 4 种林分土壤氨氧化古菌的 DGGE条带和土
壤化学性质为两个变量组,进行冗余分析(RDA).
从图 4 可以看出,土壤速效钾、pH 和有机质是引起
土壤氨氧化古菌群落结构及多样性变异的主要因
素,其中速效钾对古菌群落结构的影响达到显著水
平(P<0. 05),而碱解氮的影响最小. 杉木林受土壤
速效磷影响较大;马尾松林受土壤有机质影响较大;
毛竹林受土壤速效钾的影响较大;阔叶林受到除速
效钾以外的其他因子的影响,且不同环境因子对古
菌群落的影响有所差异. RDA 分析结果显示,第一
排序轴(Axis 1)解释了样本中 42. 9%的变异,第二
排序轴(Axis 2)解释了样本中 27. 6%的变异,两者
合并解释了样本 70. 5%的总变异.
3摇 讨摇 摇 论
氨氧化古菌和细菌能对各种环境条件的变化产
生不同的响应,可作为潜在环境条件变化的重要指
标[5] .通过荧光定量 PCR手段研究自然环境中氨氧
化菌关键功能基因 amoA 拷贝数,发现氨氧化古菌
数量通常高于氨氧化细菌,且相差几个数量级[24] .
Leininger等[25]首次报道了细菌和古菌关键功能基
因 amoA的相对丰度,发现多数土壤中硝化古菌数
量多于细菌;最近的研究也表明,农田土壤硝化古菌
amoA基因约为细菌 amoA数量的几十到上千倍[26] .
但是在森林土壤中目前相关研究不多[27],本研究结
果显示,在玲珑山不同林分土壤中,氨氧化古菌
9211 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李永春等: 亚热带不同林分土壤氨氧化菌群落特征摇 摇 摇 摇 摇
amoA 基因拷贝数在 1. 62 伊 106 ~ 1. 88 伊 107
copies·g-1干土之间,明显高于相应土壤中细菌
amoA数量(2. 41伊105 ~ 4. 36伊105 copies·g-1干土),
且在数量级上存在差异.在典型的微生物群落中,氨
氧化细菌所占的比例 <0. 1% [28],相比之下,在低
pH、贫瘠土壤中,氨氧化古菌不论是在数量、多样性
及其栖居范围各方面都胜于氨氧化细菌[5] . 由此可
见,与氨氧化细菌相比,氨氧化古菌在亚热带主要林
分土壤中表现出明显优势.
环境的 pH 高低会影响氨的存在形态,有检测
表明氨氧化细菌的生长速率及代谢在 pH 低于 7 时
有所降低[29],氨氧化细菌的适合生长酸度范围是
pH 7. 0 ~ 8. 5,当 pH 小于 6. 5 时,多数氨氧化细菌
难以生长,这可能是因为 NH3会在低 pH 条件下转
变成 NH4 +,影响了氨氧化细菌对底物氨的吸收[30] .
本文中 4 种林分土壤 pH 值在 4. 07 ~ 4. 16,通过荧
光定量 PCR手段尚能检测到氨氧化细菌,但由于数
量较少,普通的 PCR 扩增并未能得到理想的结果.
同时,pH 是影响古菌 amoA 基因拷贝数的环境因
子[15] . Nicol等[16]发现,在土壤 pH 值为 4. 9 ~ 7. 5
时,随土壤 pH值的降低,氨氧化古菌 amoA 基因的
拷贝数以及表达活性反而升高,而碱性土壤中,pH
值(8. 3 ~ 8. 7)对氨氧化古菌的丰度和群落结构没
有显著影响[31] . 因此,酸性土壤中的硝化作用可能
主要由氨氧化古菌来承担,本文的结果也在一定程
度上印证了该推论.
研究表明,不同覆被类型林地土壤微生物和细
菌的相对生物量大小均表现为针阔混交林>阔叶林
>针叶林[32] .而本文中土壤氨氧化古菌的数目,毛竹
林显著高于杉木林,二者又显著高于其他两种林分.
毛竹特有的地下鞭系统生物量大,每年都有老鞭死
亡、腐烂,从而补充了土壤碳库,使得毛竹林土壤的
自肥能力强于一般针叶林土壤[33] . 此外,该区域毛
竹林是毛竹入侵阔叶林、逐渐替代阔叶林后形成的,
成林历史仅有 30 多年,而土壤有机质的循环缓慢,
可能阔叶林碳源还存在于毛竹林土壤中,因此毛竹
林地的碳源比阔叶林更丰富些. 而杉木林由于其根
系分泌出酚类物质以及枯枝落叶的分解导致土壤
pH降低,反而可能有利于氨氧化古菌生长.与此同
时,毛竹林和杉木林的氨氧化古菌群落结构也迥异
于阔叶林和马尾松林,暗示毛竹林和杉木林土壤中
硝化潜力较高且氮循环活跃. 本研究采用冗余分析
方法探讨了环境因子对土壤氨氧化古菌群落结构的
影响,发现土壤速效钾、pH 和有机质是引起土壤氨
氧化古菌群落结构及多样性变异的主要因素. 但氨
氧化古菌和细菌群落在不同林分土壤硝化过程中的
作用尚不清楚,氨氧化古菌群落对增加氨氧化速率
的贡献也有待于进一步研究,这些都对合理搭配亚
热带地区造林树种、构建健康稳定的生态系统具有
重要意义 .
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作者简介摇 李永春,男,1979 年生,博士,讲师. 主要从事土
壤与环境微生物学研究,发表论文 10 余篇. E鄄mail: yong鄄
chun101@ hotmail. com
责任编辑摇 肖摇 红
1311 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 李永春等: 亚热带不同林分土壤氨氧化菌群落特征摇 摇 摇 摇 摇