不同地區桃樹根際土壤微生物群落結構及多樣性分析

徐海忠，薛彥華，丁洪發，戚恒瑞，李天昊，毛偉健*，程凡升*

（1.青島農業大學食品科學與工程學院，山東 青島 266109；2.山東天同食品有限公司，山東 臨沂 276000）

人類活動引起的全球變化包括大氣二氧化碳濃度升高、氣候變暖、降水變化、干旱和大氣氮沉降增加，是全球范圍內生物多樣性喪失的主要因素[1]。土壤微生物在維持地下生態系統的功能方面發揮著至關重要的作用[2-4]。相較于傳統土壤物理與化學指標，土壤微生物指標優勢在于對土壤環境變化具有較高的敏感性[5]，可以對土壤健康進行綜合評價，是評價土壤健康的理想指示生物[6]。土壤的理化性質可以影響土壤微生物群落的特征[7]。鮑佳書等[8]運用高通量測序分析了3 個不同品種甘薯根際土壤細菌的多樣性，發現土壤含水率、電導率、總氮與Chao1、ACE、Shannon 和Sobs 指數呈負相關，說明含水率、電導率、總氮影響土壤微生物群落從而影響甘薯的生長發育。邢佳麗等[9]研究發現，土壤pH 值是影響細菌群落最大的環境因子。而關于土壤理化性質與桃樹根際微生物群落的關系研究較少。

桃，薔薇科杏屬，是我國重要的落葉果樹，營養價值高，風味宜人，深受消費者喜愛。根系作為吸收水分、養分和氧氣的重要器官，是植物生長的基礎。根系管理是果樹栽培管理的核心，合理的根系管理是實現優質高產的關鍵[10]。臨沂市是農業大市，氣候條件適宜桃樹生產，是全國果品重點產區之一。據統計，臨沂市桃產量自2000 年開始一直為全國地級市第一位，2009 年被中國果品流通協會授予中國桃業第一市的稱號。其中蒙陰、沂水、費縣為桃生產大縣[11]。目前，有關臨沂地區桃樹根際土壤微生物多樣性的研究尚無報道。為促進桃樹的生長發育和桃果實的品質提升，本試驗對臨沂不同地區桃樹根際細菌進行了高通量測序，了解不同桃樹根際土壤細菌的群落結構、物種組成的差異，為臨沂桃產業發展提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地（118.35°E、35.05°N）位于山東省臨沂市沂水縣、湯頭鎮、李官鎮，氣候為暖溫帶季風大陸型氣候，四季分明，雨量充沛，氣侯溫和，全年平均氣溫14.1 ℃，最高氣溫36.5 ℃，最低氣溫-11.1 ℃，年降水量849 mm，全年無霜期200 d 以上。

1.2 試驗設計

1 月10 日進行土壤樣品采集，采用5 點取樣法，每個地區設置3 個采樣點，去除地表0～5 cm 的土壤，取樹根地表附近的土壤，剔除碎石和植物殘根等雜物，3 個采樣點土壤混勻后運用四分法取樣取500 g 土裝入無菌袋，帶回實驗室。土壤樣本去除根系、碎葉和石塊后，過2 mm的篩子，分成兩部分。一部分土壤樣品保存在-80 ℃進行DNA 提取，用于分析土壤微生物群落多樣性；另一部分土壤風干，進行理化分析。1、2 和3 號土壤樣本編號分別為LG（李官）、TT（湯頭）和YS（沂水）。

1.3 土壤理化指標測定

土壤pH 采用pH 計測定，土壤水分含量采用重量分析法測定，電導率采用電導率儀測定[12]，速效磷含量采用NaHCO3萃取比色法測定[13]，速效鉀含量采用原子吸收分光光度計法測定[14]。

1.4 土壤微生物群落測定

采用土壤DNA 試劑盒提取土壤細菌總DNA。利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測提取的總DNA 質量，然后將DNA 送至北京百邁客生物科技有限公司進行16S rRNA基因測序。

1.5 數據分析

使用SPSS 26.0 對土壤理化性質所測結果進行分析。參考Bokulich 等[15]的方法使用Trimmomatic 0.33、Cutadapt 1.9.1、USEARCH 10、UCHIME 8.1、USEARCH 10.0、QIIME 等軟件進行土壤微生物群落分析。參考Desantis 等[16]對比數據庫Silva.138、微生物基因組數據庫（IMG，Integrated Microbial Genomes）計算Alpha 多樣性指數（ACE、Chao1、Shannon 和Simpson），對門和屬水平的群落結構分析，以確定各樣品群落組成及預測整個群落的COG 通路情況。

2 結果與分析

2.1 測序數據初步分析

通過對9 份取自臨沂湯頭、李官、沂水三個地區桃園桃樹根土壤樣品微生物16S rRNA 基因高通量測序分析，共得到693 380 條有效序列，經過濾、去除嵌合體后，得到425 267 條優質序列。其中樣品LG-1 號樣品獲得最多的序列為58 546 條，LG-3 號樣品獲得序列最少為39 973 條。統計各樣品中相應長度范圍內的序列數，發現序列長度主要集中在400～450 bp。

如圖1 所示，在維恩圖中，每種顏色代表不同的組，重疊段的編號表示組間共享的OTU 數量。

圖1 土壤樣品特征Venn 圖Fig.1 Venn diagram of soil sample characteristics

測序結果顯示，LG 組包含1 049 個OTU，TT 組包含1 666 個OTU，YS 組包含1 460 個OTU。三組共享165 個OTU；LG 和TT 兩組共享417 個OTU，LG 和YS 兩組共享267 個OTU，TT 和YS 兩組共享367 個OTU；LG 組獨有890 個OTU，TT 組獨有1 047 個OTU，YS 組獨有991個OTU。

2.2 Alpha 多樣性分析

Alpha 多樣性由Chao1 與Shannon 指數共同表示，箱線圖可以直觀地反映組間物種多樣性差異是否顯著。在OTU 水平上對細菌群落進行分類并計算Alpha 多樣性，根據T 檢驗計算細菌群落組間差異性，結果如圖2所示。兩指數均證明，TT 組土壤細菌群落Alpha 多樣性顯著高于LG 組和YS 組（P＜0.01）。數值方面，TT 組Chao1 指數集中于800～970，Shannon 指數集中于9.0～9.4；LG 組Chao1 指數集中于620～740，Shannon 指數集中于8.5 ～8.7。YS 組Chao1 指數集中于670 ～760，Shannon 指數集中于8.9～9。物種豐富度（Chao1）、均勻度（Shannon 指數）和觀察到的物種多樣性分析表明，三個地區的土壤樣品細菌種群分布大致相同，且豐富度上存在差異。

圖2 Alpha 多樣性指數組間差異箱線圖Fig.2 Boxplot of Alpha diversity index differences between groups

在Alpha 多樣性指數組間差異分析中，香農指數是評價樣品中微生物多樣性的指標之一。如圖3 所示，土壤樣品的細菌香農指數趨于平穩，表明增加土壤細菌的測序量，其樣品細菌的多樣性已經不再變化。稀疏曲線趨于達到飽和平臺，表明樣本的微生物群足夠大，可以在97%的相似性閾值下估計表型豐富度和微生物群落多樣性。如圖4 顯示，TT 的土樣比另外兩組土樣具有更陡峭的斜率，說明TT 的土樣具有更大的遺傳豐富度。

圖3 土壤樣品香農指數曲線Fig.3 Shannon index curve of soil sample

圖4 土壤樣品稀釋性曲線Fig.4 Dilution curve of soil sample

物種相對豐度累積曲線圖反映樣本數量與注釋到的物種數量之間的關系。如圖5 所示，在一定范圍內，隨著樣本量的加大，紅色累積曲線急劇上升，表示群落中有大量新物種被發現，最后曲線趨于平緩，此時土壤中的物種并不會隨樣本量的增加而顯著增多；綠色共有量曲線表現為下降，表示樣本中新發現的共有物種在逐漸減少，當曲線趨于平緩，表示土壤中的共有物種趨于飽和。

圖5 土壤樣品等級豐度曲線Fig.5 Grade abundance curve of soil samples

2.3 土壤細菌群落結構分析

根據土壤微生物基因組DNA 序列分類學分析結果，三個地區共包含4 175 個OTU。物種分類顯示細菌種類隸屬于25 門54 綱145 目272 科497 屬577 種（圖6）。

圖6 土壤樣品物種分布圖Fig.6 Species distribution map of soil samples

在門水平上，將土壤細菌測得序列鑒定為疣微菌門（Verrucomicrobia）、粘菌門（Myxcoccota）、綠彎菌門（Chloroflexi）、擬桿菌（Bacteroidetes）、芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）、厚壁菌門（Firmicutes）、線菌門（Actinobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteria）、變形菌門（Proteobateria）等。其余為相對豐度小于1%的微生物群落。三個不同地區樣本都以變形菌門為主，LG、TT、YS 樣本平均相對豐度為35.04%、41.46%和33.12%。樣本門水平細菌集中分布于變形菌門、線菌門與酸桿菌門中，這3個門平均相對豐度之和占總數的60%以上。從不同地區看，主要優勢菌群基本保持穩定，但相對豐度具有一定差異。

在屬水平上，鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）、芽單胞菌屬（Gemmatimonas）與酸桿菌屬（RB41）是桃根際土壤微生物中最主要的屬。在LG、TT、YS 三個土壤樣品中含量分別為10.47%、8.31%和11.55%。遺憾的是，基于數據度silva.138 的注釋結果中，本研究中LG、TT 與YS 三組樣本中分別有78.93%、79.86%與81.74%的樣本未分類到屬。然而，3 組樣品中前3 個屬的微生物組成相同，各屬的豐富度存在差異。

2.4 Beta 多樣性分析

Beta 多樣性分析用于分析時間、空間尺度上的物種組成變化。從屬水平對各樣品進行主成分分析，結果如圖7 所示，PC1 的貢獻率為49.69%，PC2 的貢獻率為30.58%。LG 組、TT 組和YS 組在PCA 圖上明顯分開，表明不同地區的桃根際土壤微生物群落結構存在明顯差異，尤其是TT 地區微生物多樣性高于LG 和YS 地區。LG 組組內距離較大，說明這兩個樣本的組內差異較大，原因是該地區土壤環境較復雜，菌屬分布不均勻所致。在同一地區樣本中，細菌群落表現出聚集性。而不同地區細菌群落結構差異顯著。

圖7 不同地區土壤微生物主成分分析結果Fig.7 Principal component analysis results of soil microorganisms in different regions

2.5 土壤細菌功能基因預測分析

基于COG 數據庫，對臨沂不同地區土壤中獲得的非冗余基因集進行了基因功能預測。COG 功能分類統計中（圖8）可以看出樣本中土壤細菌功能基因主要集中于新陳代謝、遺傳信息、細胞信號傳導等方面。LG 組中參與氨基酸轉運代謝、碳水化合物轉運代謝、轉錄、無機離子轉運代謝等功能基因相對豐度顯著高于YS 組。而YS 組中能量生成和轉換細胞周期控制、細胞分裂和染色體分裂、細胞壁/膜/被膜的生物合成相關功能基因相對豐度顯著低于LG 組。相較于TT 組，LG 和YS 組的遺傳信息功能基因的表達更為顯著，總體而言三個地區的土壤細菌功能基因的表達上大致相同，在不同基因相對豐富度上有所差異。

圖8 COG 功能分類統計圖Fig.8 COG functional classification statistical chart

2.6 土壤理化性質和微生物群落的關系分析

研究證明微生物群落構建過程與土壤理化性質存在密切關系[17]。由表1 可知，土壤電導率與Chao1、ACE、Shannon 指數呈正相關，而與Simposon 指數呈負相關，速效磷、有機質與Chao1、ACE、Shannon、Simposon 指數呈負相關，pH 和速效鉀與Chao1、ACE、Shannon、Simposon 指數呈正相關，土壤pH 和速效鉀與Chao1 和ACE 指數顯著相關。

表1 土壤細菌多樣性與其理化性質之間的相關性Table 1 The correlations between soil community diversity indexes and soil chemical factors

3 討論

根系是植物和土壤之間的紐帶。健康的土壤環境可以促進根系的發育，進而促進植物的生長[18]。土壤細菌的多樣性和組成因土壤管理歷史而異[19]。不同桃樹根際土壤的細菌群落的測序結果差異明顯，其中李官地區1 號樣品獲得最多的序列為58 546 條，三個地區樣品獲得的序列長度主要集中在400～450 bp，其中李官地區獲得較多的有效序列。

Shannon 指數及Simpson 指數共同表明湯頭地區土樣具有的細菌群落多樣性最高。ACE 指數與Chao1 指數都表明湯頭地區土樣具有的細菌群落豐富度最高。PCA分析顯示不同地區的桃根際土壤微生物群落結構存在明顯差異，TT 地區微生物多樣性高于LG 和YS 地區。

War 等[20]和Zhang 等[21]認為，不同植物物種或同一物種不同基因型間由于根系分泌物不同，會導致出現不同的微生物群落結構。根據土壤微生物基因組DNA 序列分類學分析結果，三個地區共包含4 175 個OTU。物種分類顯示細菌種類隸屬于25 門54 綱145 目272 科497 屬577 種。對不同桃根際土壤分析表明，列出了細菌所屬的門和屬不同分類水平上的優勢類群及其相對豐度。多數細菌為變形菌門。變形菌門是細菌中主要的門，這與Jangid 等[22]和劉欣等[23]對農田作物土壤細菌的研究結果基本一致。變形菌門適應能力強，是自然界最普遍的菌門。Fierer 等[24]認為，在土壤中變形菌門能夠參與有機質轉化和土壤結構形成，可以有效促進桃樹的生長，對桃樹生長及桃果實品質有益。結果顯示，根際土壤細菌在門水平上的分類信息比較明確，而在屬水平上尚未明確的分類較多，這可能與測序序列長度、測序期間和比對的數據庫有關[25]。

基于COG 數據庫，對臨沂不同地區土壤細菌進行了基因功能預測，COG 功能分類統計中可以看出樣本中土壤細菌功能基因以新陳代謝、遺傳信息、細胞信號傳導為主。這些細菌的代謝過程能夠把一些不能利用的物質分解為植物可以吸收利用的物質，有助于植物的生長發育，提高桃樹果實品質[26]。

土壤因子對微生物群落組成和多樣性有一定的影響，其中土壤pH 是影響細菌群落最大的土壤環境因子。Oehl 等[27]研究指出，酸性土壤細菌多樣性最低，中性土壤細菌多樣性最高。速效磷與細菌多樣性呈負相關，Zhao等[28]研究表示，土壤pH 值與細菌呈正相關，土壤速效磷的含量與細菌存在負相關關系，與本研究結果一致。然而，土壤有機質理化性質對土壤微生物群落的影響復雜，目前還沒得出一致的結論。

4 結論

16S rRNA 測序結果表明，變形菌門（Proteobectria）、綠彎菌門（Chloroflexi）、放線菌門（Actinobacteria）和酸桿菌門（Acidobacteria）4 個菌門是細菌絕對優勢菌門，臨沂不同地區桃樹根際土壤樣品中細菌群落組成和結構均存在一定差異，細菌豐富度和多樣性為湯頭最高，其次是沂水，李官最低。細菌群落中線菌門和變形菌門是絕對優勢菌門。土壤細菌功能基因表達以新陳代謝、遺傳信息、細胞信號傳導為主，三個地區的土壤細菌功能基因種類上大致相同，在不同基因表達豐度上有所差異。適宜的土壤養分、良好的土壤微生物環境是桃樹生長良好的條件。因此，改善土壤理化性質，保證土壤養分平衡，是當前促進桃子高產、優質的有效措施。