全 文 : 第34卷第2期
2016年5月
江苏师范大学学报(自然科学版)
Journal of Jiangsu Normal University(Natural Science Edition)
Vol.34,No.2
May,2016
收稿日期:2015-07-23
基金项目:大学生实践创新训练计划项目(201310320038)
作者简介:殷婷婷,女,硕士研究生,主要从事微生物分子生态学研究,E-mail:ytt810154622@163.com.
* 通讯作者:高霞莉,女,副教授,主要从事生态学研究,E-mail:shiali@jsnu.edu.cn;温洪宇,男,副教授,博士,主要从事环境微生物学研
究,E-mail:wenhy2007@126.com.
文章编号:2095-4298(2016)02-0056-04
桂竹根际土壤细菌群落多样性的季节变化
殷婷婷,王国振,闫 妍,高霞莉*,温洪宇*
(江苏师范大学 生命科学学院,江苏 徐州221116)
摘要:土壤中微生物数量、多样性以及分布可作为评价其生态环境质量的重要指标.选取徐州市泉山森林公园的桂
竹(Phyllostachys bambusoides)林作为样地,利用传统微生物培养方法,研究不同季节桂竹根际土壤微生物的种类、
数量和多样性特征.结果显示,4月独有的细菌为假蕈状芽孢杆菌(Bacillus pseudomycoides),6月为解淀粉芽孢杆
菌(Bacillus amyloliquefaciens),9月为产气肠杆菌(Enterobacter aerogenes)和松鼠葡萄球菌(Staphylococcus sci-
uri)(其中产气肠杆菌占有优势);蜡样芽孢杆菌(Bacillus cereus)和Bacillus aryabhattai为4、6和9月共有的菌
种;3个月中,以9月份细菌群落多样性最高.
关键词:桂竹;土壤;细菌;群落结构;生物多样性
中图分类号:Q938.1 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.2095-4298.2016.02.013
Seasonal variation of bacteria community in the rhizosphere of
Phyllostachys bambusoides forest
Yin Tingting,Wang Guozhen,Yan Yan,Gao Xiali*,Wen Hongyu*
(School of Life Sciences,Jiangsu Normal University,Xuzhou 221116,Jiangsu,China)
Abstract:The number,diversity and distribution of the microorganism are sensitive means of assessing soil quality.
Using the traditional microbial culture method,the changes in numbers,community structure and diversity of differ-
ent seasons of the Phyllostachys bambusoides in Quan Mountain forest park were studied.The results showed that
Bacillus pseudomycoides was only found in April,Bacillus amyloliquefaciens was only found in June,Enterobacter
aerogenes and Staphylococcus sciuri were only found in September,and Enterobacter aerogenes was also the domi-
nate bacteria in September.The shared dominate bacteria in the three seasons were Bacillus aryabhattai and Bacil-
lus cereus.In addition,microbial community in September showed more diverse than the other two months.
Key words:Phyllostachys bambusoides;soil;bacteria;community structure;biodiversity
0 引言
森林生态系统中的植物是生产者,土壤微生物
是分解者.微生物将土壤中的有机物分解为碳源、氮
源等供生态系统中的各个成员使用[1-3].根际微生
物是在植物根系直接影响的土壤范围内生长繁殖的
微生物,其与植物和土壤微型动物的生长息息相关,
被认为是土壤微生物的子系统[4],影响着植物定植、
生长和群落演替[5].国内外的许多研究发现,根际微
生物在植物修复过程中也发挥着重要的作用[6].
前人已对中国亚热带地区和寒温带地区森林根
际土壤微生物群落组成进行了大量研究,如:刘卜榕
等应用PCR-DGGE方法对天目山和玲珑山的4种
典型森林土壤细菌群落结构进行了研究[7];孟好军
等对祁连山的森林中不同植被进行了研究,分析了
不同森林植被类型土壤微生物的数量变化、垂直分
布、土壤呼吸强度和纤维素分解能力等的变化规律
和特征[8].
随着社会的发展,环境污染范围以及程度不断
扩大,生态系统失衡的情况愈加严重,微生物的群落
构成也发生了较大变化.而微生物的变化能及早地
反映土壤养分及环境质量的变化,也反映土壤的污
染状况,它对污染物的生物反应要比动植物的敏
感[9].许多研究发现,农药、过量施肥均对土壤微生
物多样性产生影响[10].将土壤微生物种群、数量以
及分布作为评价土壤生态环境质量的重要指标,越
来越受到重视[11-12].因此,加快对自然条件下森林
中土壤微生物的研究具有重要意义.
江苏省徐州市属于暖温带地区,分布着多种乔
木树种,泉山森林公园作为江苏省自然保护区,生长
着多种禾本科植物,桂竹(Phyllostachys bambuso-
ides)作为主要植物,其根际土壤未受到环境污染,
可作为纯林土壤细菌群落组成的研究样地.本文通
过对桂竹林地根际土壤细菌群落组成及季节变化的
研究,为解析徐州地区自然土壤环境条件下的细菌
物种组成及其季节变化规律,深入研究桂竹林地土
壤根际细菌在碳、氮循环过程中的作用提供依据.
1 材料与方法
1.1 材料
桂竹,属被子植物门、单子叶植物纲、禾本目、禾
本科、刚竹属,又称五月竹等,因杆箨上有褐色斑点,
故又名斑竹,分布在黄河流域至长江以南各省区,此
竹成材早,产量高,轮伐周期短,坚硬而有弹性.
以徐州市泉山森林公园桂竹林地为样地,该林
地植被组成单一,桂竹密度为6.25株/m2,冠盖度
为85%.分别于2014年4月、6月和9月对桂竹林
根际土壤取样,选取较为翠绿、竹龄较短的桂竹作样
本,除去土表枯落物,采用多点混合采集方法,即按
照对角线方式在桂竹周围设3个采样点,各点采集
1~15cm土层内的根系,抖落大块土壤,取根系表
面的细粒土壤,装入保鲜袋内混匀,作为根际土壤.
用2mm×0.25mm的土壤筛,去掉样品中植物残
体和可见土壤动物,装入新的保鲜袋封闭,保存于
4℃冰箱中.
细菌培养基为LB培养基,成分为:10g蛋白
胨,10g NaCl,5g酵母粉,ddH2O 1 000mL.固体
培养基中另加入20g琼脂粉.121℃灭菌25min.
1.2 方法
1.2.1 桂竹根际土壤细菌的分离与纯化 土样用
孔径为2mm×0.25mm的筛子过筛后,取10g加
入100mL无菌水,摇床振荡8h,静置3h.采用平
板菌落计数法,在无菌室超净台上取0.5mL上清
液,对其作 10倍梯度稀释,配制成 10-1、10-2、
10-3、10-4、10-5、10-6的梯度溶液,取每种梯度溶液
0.2mL于LB固体平板上,培养3d.选出菌落数在
30~300个/皿范围内的各皿,根据菌落形态进行分
类,利用平板菌落计数法记录不同菌落的形态及数
目,并对菌落进行编号,用四区划线法多次对各菌落
进行纯化培养,得到纯种细菌.
1.2.2 16SrDNA序列的PCR扩增、克隆与测序
细菌总基因组提取:采用北京索莱宝科技有限公司
的细菌基因组DNA提取试剂盒D1600.
PCR扩增采用细菌通用引物,正向引物F27:
5′-AGAGTTTGATCATGGCTCAG-3′;反向引物
R1492:5′-CTACGGTTACCTTGTTACGAC-3′[13].
PCR条件:94℃预变性3min,变性45s,55℃退火
45s,72℃延伸2min,30个循环,最后72℃延伸10
min.PCR扩增产物于4℃保存.
连接、转化、蓝白斑筛选和测序:采用Shanghai
Genery biotech Co.,Ltd的Gen Clean琼脂糖凝胶
DNA 回 收 试 剂 盒 GK2041 进 行 胶 回 收 后,与
pMD 18-T 4℃连接12h,转化大肠杆菌JM109感
受态细胞,在含有X-Gal、IPTG、Amp的LB固体培
养基上进行涂布培养8h,形成单菌落.挑取白色单
菌落接到含有Amp的1mL LB液体培养基中振荡
培养8h.送往南京思普金生物科技有限公司测序.
1.2.3 细菌菌株的分类学分析 先从 EzTaxon
Server 2.1数据库中获得与目的菌株亲缘性较高的
模式菌株,采用 ClustalX1.83 软件对模式菌株
16SrDNA序列与目的菌株16SrDNA序列进行多
序列比对,再用 MEGA4.0 软件包构建系统进
化树.
1.2.4 细菌多样性指数计算 本研究采用如下3
种α多样性指数.
1)丰富度指数.用 Margalef指数[14](R1)评价,
R1 =S-1ln N
,
式中S为物种数目,N 为调查样方中观察到的个体
总数(下同).
2)优势度指数.采用Simpson指数[15](D)及
Shannon-Wiener指数[15-16](H′)评价,公式为
D=1-∑Ni
(Ni-1)
N(N-1)
, H′=-∑Piln Pi,
式中Ni为种i的个体数,Pi=Ni/N 为物种i的相
对重要值.
3)均匀度指数.采用Pielou指数[15,17](JSi)评价,
JSi =
1-∑P2i
1-1/Si
,
式中Si为种i所在样方的物种数.
2 结果与分析
2.1 菌落种类及数量
将形态不同的菌落进行编号和计数,4月份编
号为 4-1、4-3、4-4,样 品 的 菌 落 数 量 分 别 为
4.00×103/g、8.64×105/g、1.00×104/g,总数为
8.78×105/g.6月份编号为6-1、6-3、6-4,数量分别
为6.00×104/g、9.40×105/g、2.00×104/g,总数为
75 第2期 殷婷婷,等:桂竹根际土壤细菌群落多样性的季节变化
1.02×106/g.9月份编号为9-1、9-3、9-4、9-5,数量
分别为5.80×104/g、2.20×105/g、2.00×105/g、
4.00×104/g,总数为5.18×105/g.
2.2 细菌分类学分析
通过对分离纯化的细菌16SrDNA序列进行测
序后,对图谱进行分析,去除克隆载体序列,从图谱
中找出F27与R1492的引物序列.测序结果表明,
16SrDNA序列图谱中没有杂峰和套峰,说明结果
真实可信,将细菌菌株引物两侧多余序列去除后,在
EzTaxon Server 2.1数据库中找出亲缘关系最近的
模式菌株,构建系统进化树,结果见图1.
2.3 桂竹林地根际土壤细菌群落组成
由图1a知,菌株4-1、6-1、9-1同种,为蜡样芽胞
杆菌(Bacillus cereus),4-3、6-3、9-3同种,为Bacil-
lus aryabhattai.由图1b知,4-4为假蕈状芽孢杆菌
(Bacillus pseudomycoides),6-4为解淀粉芽孢杆菌
(Bacillus amyloliquefaciens),9-4为产气肠杆菌
(Enterobacter aerogenes),9-5 为松鼠葡萄球菌
(Staphylococcus sciuri).
图1 基于16SrDNA基因序列构建的细菌系统发育树
Fig.1 Neighbor-Joining tree based on 16SrDNA gene sequences of bacteria
2.4 桂竹林地根际土壤细菌数量变化
根据4月、6月和9月所统计的桂竹林地土壤
根际细菌种类和数量,对其进行比较(图2).结果表
明,3个月份均分离出了Bacillus aryabhattai和
Bacillus cereus,这2种菌为3个时期共有的.除此
之外,4月、6月和9月还出现了该月的独特菌种,其
中4月独特细菌为Bacillus pseudomycoides,数量
较少;6月为Bacillus amyloliquefaciens,数目也较
少;9月为Enterobacter aerogenes和Staphylococ-
cus sciuri,前者数量较多,后者数量较少.
图2 4月、6月和9月细菌种类和数量的比较
Fig.2 Species and amount of soil bacteria
in April,June and September
由图2知,4月、6月的优势细菌均为Bacillus
aryabhattai,9月的优势菌种除此以外,还有Enter-
obacter aerogenes.由此可见,在春季和夏季中,桂竹
林地土壤根际细菌总体变化不大,Bacillus aryab-
hattai为细菌群落中的优势物种,其他细菌数量很
少.秋季桂竹林地土壤细菌群落组成发生了较大变
化,除Bacillus aryabhattai外,出现了其他季节没
有的Enterobacter aerogenes,且数量较多,占总细菌
数目的38.61%,其余各种菌种较春夏2季数量也
有所增大.从图2还可看出,桂竹林地根际土壤6月
细菌数量最多,其次是4月,9月细菌数目最少.
2.5 桂竹林地根际细菌物种多样性变化
由4月、6月和9月细菌种类和数量的统计数
据,计算细菌群落丰富度指数、优势度指数和均匀度
指数,结果见表1.
表1 4月、6月和9月细菌群落物种多样性指数
Tab.1 Diversity indices of bacteria community
in April,June and September
月份 R1 D H′ JSi
4 0.146 0.031 0.091 0.047
6 0.145 0.147 0.319 0.220
9 0.228 0.652 0.938 0.661
表1表明,4月、6月的细菌丰富度指数相当,9
月最高;Simpson指数、Shannon-Wiener指数和均
匀度指数从4月到6月再到9月依次递增,可以得
出,9月份的细菌群落多样性最高,均匀度较高.
3 结论
本文研究了4月、6月、9月桂竹林地根土壤细
菌群落物种组成及个体数量的变化.从3次取样中
共分离出6种细菌,3个月份中同时存在的种共有2
85 江苏师范大学学报(自然科学版) 第34卷
个,分别是Bacillus aryabhattai和Bacillus cereus,
且前者为优势菌种,4月份和6月份各单独出现1
个种,9月份单独出现2种,他们分属3个菌属:芽
孢杆菌属(Bacillus)、肠杆菌属(Enterobacter)和葡
萄球菌属(Staphylococcus).其中,蜡样芽胞杆菌、
假蕈状芽孢杆菌、解淀粉芽孢杆菌和Bacillus ary-
abhattai均属于芽孢杆菌属,肠杆菌属中只有产气
肠杆菌,葡萄球菌属中仅有松鼠葡萄球菌.土壤中的
优势菌属为芽孢杆菌,这一结果与李潞滨等[18]的研
究结果相似.由此可知,有些细菌物种为土壤微生物
群落中的优势物种,有些菌种变动较大,或分布很不
均匀.
从3个月的微生物多样性指数来看:Margalef
指数4月份和6月份相近,而9月份最高;Simpson
指数、Shannon-Wiener指数和均匀度指数在9月份
最高,6月份次之,4月份最低.说明9月份物种个体
数目的分配状况较均匀,细菌群落的异质性较
大[15],而6月份和4月份的个体数目分配状况相对
不均匀.从3个月的气温状况看:6月温度(26~32
℃)较高,又是徐州的降雨季节,湿度等条件更适宜
细菌的生长;4月(15~18℃)和9月的温度(19~23
℃)较低,湿度也较低,不适宜土壤细菌繁殖生长,细
菌个体总数相比6月份较少;4月份、6月份均为单
优种,而9月份优势种优势不明显,所以9月份的物
种丰富度较高.李凤霞等[19]研究发现细菌、真菌和
放线菌数量在不同季节上表现为6月大于8月,8
月大于9月,本研究结果与其基本一致.
Enterobacter aerogenes广泛分布于人和动物
肠道、生活用水、污水和土壤中[20-21],最适合生长于
温度30℃,pH 为7的环境下.9月公园人流量较
大,动物活动较频繁,很多动物会在公园中排泄.因
此,公园中桂竹林根际存在的粪便较多,这可能是
Enterobacter aerogene成为优势菌的原因.
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[责任编辑:史成娣]
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