南方稀土尾矿植被恢复过程中植物促生功能菌群的响应及其作用机制初探

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稀土资源的开采对当地的生态环境造成了极大的破坏,土壤砂质化、固土保水能力差、养分流失、土壤酸化以及重金属污染问题尤为严重。植被恢复与重建一直是南方离子吸附型稀土尾矿环境治理的重点和难点。土壤微生物在植物生长发育的过程中发挥重要功效,其中植物促生菌(Plant growth promoting-bacteria,PGPB)因在胁迫生境中可以促进植物生长,提高植物抗逆性,在矿区植被恢复中发挥重要作用。但稀土尾矿植被恢复过程中,PGPB这一类重要土壤微生物的响应及其作用机制尚不明确。我们选择以赣南稀土尾矿以种植湿地松-苦竹-五节芒的“乔-灌-草”模式恢复八年的样地为研究对象,采用野外植被调查、土壤理化分析、16S扩增子高通量测序、q PCR绝对定量以及宏基因组测序与分箱技术,分别对植被恢复一年后、八年后地上植被、土壤理化特性、胞外酶活性、细菌群落结构以及PGPB群落丰度与组成进行研究。旨在明确尾矿植被恢复过程中植物-土壤-微生物之间的协同效应,为进一步利用PGPB功能菌群加快南方离子型稀土尾矿的植被恢复提供理论支持和科学依据。本研究的结论如下:(1)植被恢复有效改善了稀土尾矿土壤理化特性。在长达八年的植被恢复后,土壤总有机碳(由2.41 g/kg提升至5.31 g/kg)、微生物量碳含量(由3.63 g/kg-3.99 g/kg提升至51.84 g/kg-75.01 g/kg)、土壤含水量(提高10%-32%)以及p H(由4.52提升至4.71)显著提高;总氮含量(由1.32 g/kg-1.42g/kg降低至0.52 g/kg-0.56 g/kg)及土壤容重显著降低(由1.31 g/cm~3-1.45g/cm~3降低至0.99 g/cm~3-1.01 g/cm~3);与土壤碳氮磷营养元素循环相关的胞外酶活性也得到了显著改善。因此植被恢复措施显著改善了土壤物理结构、提升了土壤的养分水平、有效缓解了稀土尾矿土壤酸化、固土保水能力差的问题。(2)土壤微生物alpha多样性指数(ACE和Chao1指数)差异不明显,只有在个别时期表现出差异。此外,植被恢复措施显著改变了土壤细菌群落结构,经过植被恢复的土壤中主要优势门类为:变形菌门(Proteobacteria33.4%)、放线菌门(Actinobacteriota 20.0%)、酸杆菌门(Acidobacteriota18.3%)、绿弯菌门(Chloroflexi 15.9%);而未经过植被恢复的尾矿土壤中优势菌门为:绿弯菌门(Chloroflexi 36.2%)、变形菌门(Proteobacteria22.0%)、放线菌门(Actinobacteriota 14.0%)、酸杆菌门(Acidobacteriota8.0%)。基于Indictor指示物种分析发现,放线菌门Atinobacterita,疣微菌门Verrucomicrobiota,变形菌门Proteobacteria,酸杆菌门Acidobacteriota成为植被恢复土壤的指示物种;而绿弯菌门Chloroflexi,WPS-2,硝化菌门Nitrospirota是未修复稀土尾矿土壤的指示物种。(3)植被恢复显著提高土壤微生物群落网络稳定性。经过一年、八年的植被恢复,细菌群落网络稳定性逐步提高,Negative/Positive cohesion由0.193提高至0.456,模块化系数由0.667提高至0.895;而未经过植被恢复的尾矿土壤细菌群落网络模块化系数仅有0.215,与随机网络更为相似。(4)为了进一步探究植被恢复过程中,PGPB菌群丰度及物种组成的变化及响应规律。基于文献计量分析,以ACC脱氨酶活性为重要鉴定依据,构建PGPB数据库。将16S r RNA基因高通量测序数据与自建的PGPB数据库进行比对发现,PGPB随植被恢复进程其丰度逐渐下调,且主要归属于变形菌门(40.6%)和放线菌门(15.8%),少数属于绿弯菌门(2.1%)。采用q PCR技术对编码ACC脱氨酶的功能基因acdS进行绝对定量分析,功能基因acdS的丰度在植被恢复过程中的变化规律与数据库比对的结果相吻合(R~2=0.64,p≤0.001),都表现为随植被恢复的进程其丰度逐渐下调。此外,线性拟合分析结果显示,功能基因acdS的丰度与TOC呈显著负相关(p≤0.01)。(5)为了进一步研究PGPB在稀土尾矿植被恢复过程中的作用机制,采用宏基因组分箱技术分别对中等质量的MAGs(完整度大于50%,污染度小于20%)与高质量MAGs(完整度大于90%,污染度小于5%)进行分析。142个中等质量的MAGs中,发现有19个MAGs具备产ACC脱氨酶功能,并且同时具备其他几种促进植物生长特性(包括产IAA,产铁载体,固氮及解磷)。其中,发现bin 91和bin 311尚未被报道,可能是潜在的新型PGPB。12个高质量MAGs中,对具有合成ACC脱氨酶能力的bin 341完整基因组进行解读发现其基因组内包含了众多与抗重金属毒性、碳氮磷循环相关的功能基因以及合成促进植物生长的细胞分裂素功能基因。此外,还发现其基因组内有DNA区段GC含量变动,推测其基因组内的功能基因可能存在基因水平转移现象。由此推测,产ACC脱氨酶的PGPB可能通过基因水平转移使更多土壤微生物获取抵抗环境胁迫、促进植物生长的能力。
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