论文部分内容阅读
产甲烷菌等有限的古菌类群在农田等陆地土壤生态系统中为数不多的生态功能研究,揭示了古菌在土壤生态系统的物质、能量循环中起着非常重要的功能。为获得我国南方常见红壤中古菌生态功能信息,本研究采用优化的变性梯度凝胶电泳（DGGE）与高通量高通量测序相结合的方法,对江西省南昌市农业科学院广福基地（N28°37′,E116°03′）2014年5月（水稻种植前）、7月（水稻分蘖期）、8月（水稻灌浆期）、9月（水稻成熟期）、10月（水稻收获后）等5个时间节点采集的稻田红壤样本进行古菌群落结构及多样性分析。基于古菌16S V4V5区对水稻分蘖期、水稻灌浆期、水稻成熟期的土壤样品进行DGGE分析后,共检测到2个门、4个纲及5个目的古菌。产甲烷菌纲（Methanomicrobia）作为稻田土壤的优势古菌类群丰度达49.15%,其中甲烷八迭球菌目（Methanosarcinales）丰度达39.45%。而氨氧化古菌属（Nitrosotalea）丰度也达6.07%。水稻分蘖期、灌浆期及成熟期稻田土壤古菌DGGE电泳条带数量及序列高度相似,分蘖期、灌浆期香农多样性指数未检测到具有统计学意义的差异（P=0.534）。成熟期香农多样性指数略高于分蘖期（P=0.017）和灌浆期（P=0.009）,分析可能主要由土壤含水显著下降导致。为获得更为全面的古菌群落信息,本研究进一步基于古菌16S V3V5区对水稻种植前、水稻灌浆期、水稻收获后的土壤样品进行高通量测序、分析,共获得到10848个OTU,通过GREENGENE数据库比对分析,其中可鉴定的古菌分别属于3个门,20个纲,31个目,37个科和47个属。能鉴定至属的微生物序列不足总序列的20%,且大部分均为产甲烷菌（96.6%）。利用生物信息学技术计算出红壤稻田5月、8月及10月古菌群落香农多样性指数分别为4.88、5.06、5.11,未发现具有统计学意义的差异（P>0.05）。DGGE与高通量测序实验结果表明红壤稻田的古菌群落结构在水稻种植、生长各时间节点基本保持稳定,我们认为该现象可能由稻田土壤古菌与人类耕作活动长期共进化导致。DGGE和高通量测序结果均表明产甲烷菌是稻田古菌中的优势类群。利用荧光定量PCR技术研究甲烷鬃毛菌属（Methanosaeta）、甲烷八迭球菌属（Methanosarcina）和甲烷杆菌属（Methanobacterium）三类代谢方式不同的优势产甲烷菌丰度变化后发现,甲烷鬃毛菌属的丰度在三种甲烷菌中丰度最高,达到1010个/克干土,是以往文献报道的100倍以上;同时,由于甲烷鬃毛菌属是一种严格的乙酸营养型产甲烷菌,该类微生物较高的丰度无疑有利于消耗土壤中的乙酸,缓解红壤酸化;因此,应加强甲烷鬃毛菌在我国红壤稻田土壤中的生态功能等方面的研究。专性利用H2/CO2代谢途径的甲烷杆菌属和兼性利用H2/CO2与乙酸代谢途径的甲烷八迭球菌属的丰度会在水稻生长期分别显著升高249%（P<0.001）和162%（P=0.005）,这两类微生物在利用H2/CO2途径生成甲烷时,会消耗土壤中的H2,从而降低水稻对铝的耐受能力导致不利的影响。鉴于产甲烷菌等稻田土壤古菌在温室气体排放、红壤酸化防控以及水稻生长、耐逆等方面的重要作用,应对稻田等农田土壤中优势古菌类群的生态功能等开展广泛、深入的研究。