全 文 :当归根际微生物种群结构与生态分布的研究
江曙,段金廒,严辉,于光
(南京中医药大学,江苏 南京 210046)
[摘要] 目的:研究当归根际微生物的种群结构及其生态分布。方法:采用微生物分离、培养与鉴定等生物学方法以及
物种多样性的统计分析方法。结果:在当归生长过程中,甘肃岷县、云南鹤庆和四川宝兴等地区当归根际微生物数量均呈现
增加的趋势,10月份以后各类微生物数量又呈现下降的趋势。岷当归根际细菌与真菌的数量比值普遍高于云当归和川当归。
此外,在当归的不同产区,根际微生物种群多样性及其变化不同,岷当归根际微生物的优势种群数目较多,根际细菌、放线菌、
真菌种群更具多样性。结论:岷当归根际微生态系统及其微生物种群结构较为稳定,有利于当归的生长繁殖。
[关键词] 当归;根际微生物;种群结构;生态分布
[收稿日期] 20080904
[基金项目] 国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAI09B051,
2007BA137B02);南京中医药大学基础研究与重点培育专项基金项
目(08XPY02)
[通信作者] 段金廒,教授,主要从事中药及天然药物资源化学及
方剂物质基础研究。Tel:(025)85811116,Email:dja@njutcm.edu.cn
植物根际是围绕根表面的薄层土壤,是植物、土
壤和微生物相互作用的特殊微生态系统[12]。根际
微生物是植物根际微生态系统的重要组成部分,参
与土壤有机质分解、腐殖质形成、土壤养分转化和循
环等一系列过程,其种群结构及活性变化是衡量土
壤质量、维持土壤肥力和影响药材优良品质形成的
一个重要指标,对于根际微生态系统功能的发挥起
着重要的作用[3]。
当归Angelicasinensis(Oliv.)Diels是伞形科多
年生草本药用植物,以根入药,具有补血活血,调经
止痛,润肠通便之功效,是我国大宗常用中药品种,
收载于各版《中国药典》[4]。当归主产于我国甘肃、
云南、四川、山西、湖北等地,甘肃岷县为其道地产
区[5]。目前国内外对于当归品质及其道地性的研
究主要集中于化学成分、药理药效、遗传多样性以及
外部环境(气候因子、光照、土壤、水分)等方面,在
土壤对其道地性形成的影响方面主要侧重于土壤理
化因子的研究,而对于当归根际微生物与其道地性
形成的相关性还缺乏足够认识和系统研究[67]。本
实验通过对不同产地、不同生长期当归根际微生物
数量、种群结构与生态分布等方面的动态变化规律
及其差异的研究,对于丰富当归根际微生态方面的
内容,并为研究当归根际微生物种群结构与其品质
的相关性奠定基础。
1 材料
1.1 选择性培养基
分离细菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基,分离
放线菌采用改良高氏一号琼脂培养基,分离真菌采
用马丁氏琼脂培养基[8]。
1.2 仪器与设备
培养箱BMJ100(上海博讯实业有限公司),高
压蒸汽灭菌器MLS3750(日本三洋),单人水平垂直
两用净化工作台 SWCJ1FB(苏州净化设备有限公
司)。
2 方法
2.1 土壤样品的采集与处理
土壤样品取自甘肃岷县、云南鹤庆、四川宝兴
等地区当归栽培地,采集根际土样时,将当归整个
植株带根系挖出,轻轻抖落根系上的大块土壤,收
集黏附于根表2mm左右的土壤,置于无菌封口塑
料袋内,放于4℃冰箱保存。测定时,称量 10g
根际土样加入含有90mL无菌生理盐水的250mL
三角瓶中,120r·min-1振荡30min,得到菌悬液,
依次按10倍法稀释至10-6CFU·g-1。
2.2 微生物数量测定
采用稀释平板法。取01mL稀释后的菌悬液
分别涂布到含有选择性培养基的平皿上,每个稀释
度设3个重复,置于恒温培养箱内培养,细菌37℃
下培养1~2d,进行菌落计数;放线菌和真菌均在
28℃下培养5~7d后计数,再根据土壤含水率计算
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每克干土中的微生物数量(CFU·g-1)。
2.3 根际微生物的分类鉴定
根际细菌鉴定参考文献[9];根际放线菌的鉴
定参考文献[10];根际真菌的鉴定参考文献[11]。
2.4 根际微生物的多样性测定[12]
微生物多样性特征采用 ShannomWiener指数
(H)、丰富度指数(S)和 Pielou指数(J)进行分析。
多样性指数 H的计算公式为 H=-ΣPilnPi,式中
Pi=Ni/N,Ni为属 i的单菌株数量,N为土样中总菌
株数量。S为属i所在土样中属的数目。均匀度指
数J的计算公式为 J=-ΣPilnPi/lnS。采用 Simp
son优势度指数测定群落内不同物种所起的作用和
所占的地位,其公式为D=ΣPi
2。
3 结果
3.1 不同产地当归根际微生物种群组成
3产地当归根际微生物的种群结构存在一定的
差异,从岷当归根际分离到10属36株细菌、6属16
株放线菌和22属63株真菌;从云当归根际分离到
9属27株细菌、3属10株放线菌和 21属 46株真
菌;从川当归根际分离到7属24株细菌、3属11株
放线菌和12属32株真菌。仅存在于岷当归根际土
壤中的微生物种群包括乳杆菌属、钦氏菌属、双歧放
线菌属、诺卡氏菌属、疣孢霉属、聚孢霉属、交链孢霉
属、长蠕孢霉属、结实串孢霉属、棒孢霉属、刺盘孢菌
属、壳针孢属、团丝核菌属、鞭子菌属、内孢霉属和假
珠网霉属,说明当归根际微生物种群具有明显的区
域性特征(表1)。在不同当归根际土壤中,岷当归
根际微生物多样性指数和丰富度指数最高,云当归
根际 微 生 物 的 均 匀 度 指 数 和 优 势 度 指 数
最高(表2)。
表1 不同产地当归根际微生物的种群组成
科 属
菌株数
岷当归 云当归 川当归
芽孢杆菌科Bacilaceae 芽孢杆菌属Bacilus 12 6 7
芽孢乳杆菌属Sporolactobacilus 1 2
微球菌科Micrococcaceae 葡萄球菌属Staphylococcus 8 3 5
微球菌属Microccus 6 3 4
硝化杆菌科Nitrobacteraceae 硝化杆菌属Nitrobacter 2 2
链球菌科Streptococcaceae 链球菌属Streptococcus 1 5 1
固氮菌科Azotobacteraceae 固氮菌属Azotobacter 2 3 4
假单孢菌属Pseudomonadaceae 假单孢菌属Pseudomonas 2 2 1
盐杆菌科Halobacteriaceae 盐杆菌属Halobacterium 1 1 3
乳杆菌科Lactobacilaceae 乳杆菌属Lactobacilus 1
链霉菌科Streptomycetaceae 链霉菌属Streptomyces 8 5 6
钦氏菌属Chainia 1
小单孢菌科Micromonosporaceae 小单孢菌属Micromonospora 2 3 2
双歧放线菌属Actinobifida 1
小多孢菌科Micropolysporaceae 小多孢菌属Micropolyspora 3 2 3
诺卡氏菌科Nocardiaceae 诺卡氏菌属Nocardia 1
丛梗孢科Moniliaceae 球孢霉属Coccospora 1
筒孢霉属Cylindrium 1 1
疣孢霉属Mycogone 6
聚孢霉属Clomerularia 1
简梗孢霉属Chromosporium 2 2
小球孢霉属Coccosporela 1
喙孢霉属Rhynchosporium 1
梭孢霉属Fusidium 1
粉孢霉属Oidium 1
卵形孢霉属Oospora 1
蚀丝菌属Myceliophthora 1
串珠霉属Monilia 1
暗梗孢科Dematiaceae 交链孢霉属Alternaria 1
圆酵母属Torula 3 2
假黑粉霉属Coniosporieae 1 1
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续表1
科 属
菌株数
岷当归 云当归 川当归
长蠕孢霉属Helminthosporium 1
结实串孢霉属Hormiscium 6
棒孢霉属Corynespora 1
镶孢霉属Coniothecium 1
黑孢霉属Nigrospora 2
瘤座孢科Tuberculariaceae 孢穴瘤座霉属Scoriomyces 1
黑盘孢科Melanconiaceae 痂圆孢属Sphaceloma 3 8 5
小粘盘孢属Myxormia 6 3
鲜色胶盘孢属Hainesia 2 1 6
刺盘孢菌属Coletotrichum 3
埋船形盘孢属Hypodermium 3 1 3
粘盘孢属Myxosporium 3
球壳孢科Scolecosporoideae 壳针孢属Septoria 1
链孢霉属Sirococcus 2
半壳孢科Leptostromataceae 细盾壳属Leptothyrium 1
无孢菌群MyceliaSterilia 组丝核菌属Phacodium 6 6 2
团丝核菌属Papulaspora 8
束丝菌属Ozonium 6 6 6
酵母科Saccharomycetaceae 鞭子菌属Nematospora 1
内孢霉科Endomycetaceae 内孢霉属Endomyces 2
酱霉科Ascoideaceae 酱霉属Ascoidea 3
双足囊菌属Dipodascus 1
裸囊菌科Gymnoascaceae 假珠网霉属Pseuoarachniotus 1
裸囊菌科Gymnoascaceae 丝衣霉属Bysochlamys 1
革菌科Thelephoraceae 网膜革菌属Pelicularia 1
表2 不同产地当归根际微生物种群的多样性、丰富度、
均匀度及优势度指数
产地 菌株数 H S J D
甘肃岷县 115 33174 38 09119 00483
云南鹤庆 83 32613 33 09327 00466
四川宝兴 67 29266 22 09468 00659
3.2 不同生长期当归根际微生物数量与优势种群
的动态变化
3.2.1 岷当归 通过分析不同生长期岷当归根际
微生物数量,结果表明,在不同的生长期均出现明显
的动态变化,随着岷当归的生长发育,根际微生物数
量呈现增加的趋势,10月以后各类微生物数量又呈
现下降的趋势。根际细菌和放线菌数量均在 9月
17日达到最大值,根际真菌数量在9月30日达到
最大值。根际细菌与真菌的数量比值普遍较高,且
在岷当归不同的生长期变化较小,说明岷当归根际
微生物种群结构较为稳定(表3)。
表3 不同生长期岷当归根际微生物数量的动态变化(珋x±s,n=3) ×106CFU·g-1
日期 细菌 放线菌 真菌 细菌/真菌
0815 296±21 0112±0062 00192±00018 15417
0917 1246±68 0806±0021 00616±00039 20227
0930 981±53 0775±0052 00643±00058 15257
1015 378±31 0763±0069 00241±00021 15685
1021 496±35 0519±0035 00327±00017 15168
1103 129±12 0167±0013 00096±00005 13438
在岷当归不同的生长期,根际微生物种群出现
明显的动态变化。在根际细菌中,所有生长期的优
势种群都包括芽孢杆菌属和葡萄球菌属,盐杆菌属
在8-9月份是优势种群之一,微球菌属自9月30
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日后逐渐成为优势种群。在根际放线菌中,8-9月
以链霉菌属为主,其数量是放线菌总数的891% ~
953%,10月份后诺卡氏菌属成为优势种群,其数
量比例达到629% ~664%。在根际真菌中,8-9
月份优势种群为组丝核菌属、团丝核菌属、疣孢霉属
和结实串孢霉属,而10月份则为圆酵母属、痂圆孢
属和小粘盘孢属,11月份各类根际真菌数量分布相
近。此外,根际细菌种群多样性和丰富度指数在9
月30日较高,均匀度指数在10月中旬最大,优势度
指数在8月份最大;根际放线菌多样性和丰富度指
数都是在10月份达到最大值,均匀度指数在9月份
较小,在其他生长期相似,且普遍较高,优势度指数
呈现先升后降的趋势,在9月17日达到最大。根际
真菌多样性和丰富度指数在10月15日最大,在生
长后期均匀度较高,优势度指数在生长前期相对较
高(表4)。
表4 不同生长期岷当归根际细菌、放线菌和真菌的多样性、丰富度、均匀度及优势度指数
日期
细菌
H S J D
放线菌
H S J D
真菌
H S J D
0815 13592 5 08445 03200 06363 2 09180 05558 16957 6 09464 02000
0917 17038 8 08194 02466 07356 3 06696 05938 16436 7 08446 02325
0930 21686 10 09418 01296 07595 3 06913 05702 21688 10 09419 01264
1015 18445 7 09479 01716 10397 3 09464 03750 23094 11 09631 01043
1021 16325 6 09111 02222 13322 4 09610 02800 17329 6 09672 01875
1103 13209 4 09528 02813 10985 3 09999 03327 15608 5 09698 02222
3.2.2 云当归 云当归根际微生物数量随着当归
的生长发育,呈现增加的趋势。各类微生物数量以
及细菌与真菌的数量比值均在9月25日达到最大,
10月份以后逐渐减少。在不同生长期,根际放线菌
数量的波动性较大;根际真菌数量较多,变化较小
(表5)。
表5 不同生长期云当归根际微生物数量的动态变化(珋x±s,n=3) ×106CFU·g-1
日期 细菌 放线菌 真菌 细菌/真菌
0628 412±31 0096±0007 00326±00013 12638
0719 694±42 0217±0014 00497±00031 13964
0812 1062±81 0362±0025 00682±00019 15572
0925 1192±85 0731±0032 00756±00061 15767
1011 865±72 0568±0045 00552±00048 15670
1023 332±25 0426±0016 00316±00013 10506
在云当归不同生长期,芽孢杆菌属是其所有
生长期的根际细菌优势种群,链球菌属、葡萄球菌
属以及固氮菌属随着云当归的生长,其种群优势
逐渐减弱;根际放线菌在10月17日以小单孢菌为
主,数量比例达到579%,其他生长期均以链霉菌
属为主,数量比例在 95%以上;根际真菌在 6-9
月份以痂圆孢属和组丝核菌属为主,10月份束丝
菌属和小粘盘孢属成为优势种群。此外,随着云
当归的生长发育,各类根际微生物多样性和丰富
度指数以及根际放线菌均匀度指数均呈现增大的
趋势,而根际放线菌和真菌优势度指数则呈现下
降的趋势(表6)。
表6 不同生长期云当归根际细菌、放线菌和真菌的多样性、丰富度、均匀度及优势度指数
日期
细菌
H S J D
放线菌
H S J D
真菌
H S J D
0628 16674 5 10360 03438 05622 2 08111 06250 12771 4 09212 03062
0719 17045 6 09513 01945 06363 2 09179 05580 12730 4 09183 03086
0812 16325 6 09111 02221 06363 2 09179 05580 14185 5 08814 02800
0925 18775 8 09029 01800 06363 2 09179 05580 16526 7 08493 02400
1011 20295 9 09237 01544 06730 2 09709 05200 20479 9 09320 01447
1023 16769 6 09359 02098 09743 3 08868 04062 23067 11 09619 01094
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3.2.3 川当归 随着川当归的生长发育,根际各类
微生物的数量呈现递增的趋势,均在10月2日达到
最大,根际细菌与真菌的数量比值具有一定的波动
性(表7)。
表7 不同生长期川当归根际微生物数量的动态变化(珋x±s,n=3)×106CFU·g-1
日期 细菌 放线菌 真菌 细菌/真菌
0815 262±15 0369±0015 00187±00012 14011
0915 626±38 0543±0016 00452±00023 13849
1002 1236±50 0967±0083 00876±00039 14109
1118 691±36 0342±0013 00567±00052 12187
川当归8-9月份根际细菌以芽孢杆菌属和葡
萄球菌属为主,而10-11月份芽孢杆菌属和微球菌
属处于优势。在根际放线菌中,链霉菌在川当归所
有生长期的数量比例均在 95%以上,占有绝对
的优势。
在根际真菌中,束丝菌属是8-11月份整个生
长期的优势种群,鲜色胶盘孢属和组丝核菌属分别
是8-9月份和11月份的优势种群。此外,川当归
根际各类微生物多样性和丰富度指数随川当归的生
长发育而递增,均在10月2日达到最大;而各类微
生物均匀度和优势度指数在不同生长期的动态变化
没有一定的规律性(表8)。
表8 不同生长期川当归根际细菌、放线菌和真菌的多样性、丰富度、均匀度及优势度指数
日期
细菌
H S J D
放线菌
H S J D
真菌
H S J D
0815 12649 4 09124 03056 06363 2 09179 05580 13421 4 09681 02727
0915 15119 6 08438 02576 05622 2 08111 06250 14595 5 09068 02622
1002 17389 7 08936 02000 09089 3 08273 05938 15607 6 08710 02422
1118 14184 5 08813 02800 04506 2 06500 07222 10397 3 09464 03750
4 讨论
微生物在植物根际的定殖和分布受到根系生长
发育、环境条件等因素影响而表现出较为明显的根
际效应,根际微生物在调节根际微生态系统的动态
平衡和提高植物对环境的适应性等方面具有重要的
生态效应[1314]。近年来,根际微生物种群结构与功
能的关系一直是土壤生态学研究的热点,但主要集
中在农作物、草业以及林业等领域的研究,对于根际
微生物影响药用植物品质及药材道地性的报道较
少[1516]。本实验以当归为研究材料,分析不同产地
当归根际微生物种群结构的组成及其动态变化规
律,结果表明,由于产地不同,生态环境各异,以及不
同产地当归在相同的时间内生长期具有一定的差
异,生理生化状态不同,根系分泌物的种类与数量具
有差异,从而影响当归根际微生物种群结构,具有较
强的时空特点。根际微生物的数量变化与当归生长
发育进程呈正相关性,植株新陈代谢活动旺盛,根系
不断生长,微生物数量也随之增加,当接近当归采收
期时,由于天气变冷,土壤温度降低,当归的生命力
逐渐减弱,根系分泌物减少,结果导致当归根际微生
物数量明显降低。此外,生物多样性是衡量生态系
统稳定和健康的一个重要指标,反映生物群落中物
种的丰度及其各类型间的分布,生境条件越适宜,群
落稳定性及其多样性越高,即生物群落的多样性可
以用来衡量环境的优劣[17]。在不同产地当归根际
土壤中,岷当归根际微生物的优势种群数目最多,种
群多样性指数和丰富度指数最高,不同生育期的细
菌和放线菌种群多样性的变化较稳定,细菌与真菌
数量的比值最大,且在各个生长期变化较小,说明岷
当归根际微生态系统及其微生物种群结构较为稳
定,土壤肥力较高,更适宜于当归的生长。
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(NanjingUniversityofTraditionalChineseMedicine,Nanjing210046,China)
[Abstract] Objective:TostudythepopulationstructureandecologicaldistributionoftherhizospericmicroorganismsofAngeli
casinensis.Method:Theisolation,cultureandidentificationofmicroorganismswerestudiedbythebiologicalmethods,andthe
achieveddatawereanalyzedbythestatisticalmethodsforanalysisofspeciesdiversity.Result:WiththegrowingstagesofA.sinensis
fromMincountyofGansuprovince,HeqingofYunnanprovinceandBaoxingofSichuanprovince,thequantityofrhizospericmicroor
ganismsincreased;andithadreducedsinceOctober.IntheareaofMincountyGansuprovince,thenumberratioofbacteriaandfungi
washigherthanthatintheothertwoareas.Inaddition,thepopulationdiversityanddynamicchangewerediferentinthreeareas.In
theareaofMincountyGansuprovince,thenumberofdominantmicrobialpopulationsandthepopulationdiversitiesofbacteria,actino
mycesandfungiintherhizosphereweregreaterthanthoseintheothertwoareas.Conclusion:Themicroecologicalsystemandmicro
bialpopulationstructureintherhizosphereofMincountyGansuprovincewerestable.AnditwassuitableforthegrowthofA.sinensis
inthisarea.
[Keywords] Angelicasinensis;therhizosphericmicroorganims;populationstructure;ecologicaldistribution
[责任编辑 吕冬梅]
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第34卷第12期
2009年6月
Vol.34,Issue 12
June,2009