【摘 要】
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土壤微生物多样性是维持生态系统稳定和健康的关键因素,也是评估土壤生态系统健康的潜在重要指标,并已成为环境领域的热点研究对象。土壤微生物的研究主要依靠基于总DNA提取的扩增子高通量测序等技术开展。但是土壤中存在大量的胞外DNA,显著干扰了土壤微生物多度及多样性的解析,影响土壤环境风险评估的结果。土壤胞外DNA对微生物多样性解析的干扰强度在很大程度上取决于胞外DNA是否具有类群特异性降解。然而,现存胞
【基金项目】
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国家自然科学基金青年项目:土壤微生物残留16SrDNA和ITS的类群特异性降解速率研究(42007035); 云南省基础研究专项面上项目:云南典型土壤微生物群落融合的效应与机制(202201AT070210); 云南大学高层次引进人才科研启动项目:微生物群落组成生态意义的解读及其应用(C176220100024);
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土壤微生物多样性是维持生态系统稳定和健康的关键因素,也是评估土壤生态系统健康的潜在重要指标,并已成为环境领域的热点研究对象。土壤微生物的研究主要依靠基于总DNA提取的扩增子高通量测序等技术开展。但是土壤中存在大量的胞外DNA,显著干扰了土壤微生物多度及多样性的解析,影响土壤环境风险评估的结果。土壤胞外DNA对微生物多样性解析的干扰强度在很大程度上取决于胞外DNA是否具有类群特异性降解。然而,现存胞外DNA降解相关的研究仅针对少数几条序列开展,对胞外16S rDNA和ITS等常用分子标记的类群特异性降解速率及其影响因素的认识仍存在较大空缺。此外,现存土壤DNA提取过程中的土壤用量标准尚不一致,也可能影响微生物群落的准确解析。基于此,本论文首先探究了农田、森林、荒漠和草甸生态系统中DNA提取土壤用量(0.010、0.025、0.250、0.500和1.000 g)对微生物多度和多样性研究的影响。在此基础上,结合引物标签法、qPCR及高通量测序技术,建立了土壤胞外DNA类群特异性降解速率的测定方法;并基于该方法体系解析了全国30个地点土壤的胞外16S rDNA和ITS类群特异性降解速率;结合土壤微生物多度与多样性分析,以及土壤理化性质测定,明晰了影响土壤微生物胞外16S rDNA和ITS类群特异性降解速率的主要环境因素。最后,基于总DNA和微生物活体DNA提取,明确了土壤微生物胞外DNA类群特异性降解对微生物群落解析的影响。本论文的主要研究结果如下所述。(1)不同土壤DNA提取用量未干扰微生物多度的测定,但显著影响了微生物多样性的解析。针对同一土壤样品,基于0.010和0.025 g 土壤提取DNA所获得的土壤微生物物种丰富度显著低于基于0.250-1.000 g 土壤中的物种丰富度。此外,当DNA提取的土壤用量为0.010和0.025 g时,样品间的微生物群落结构存在较大的差异。当DNA提取的土壤用量超过0.500 g时,微生物群落组成受土壤DNA提取用量的影响较小,技术重复间的差异显著减小。(2)关于土壤胞外DNA总体降解速率的研究发现:土壤微生物胞外DNA可在土壤中留存数周以上,在为期48天的培养后,土壤中残留胞外16S rDNA和ITS DNA仅为初始量的0.2-3.1%和0.4-4.75%。此外,培养结束后,外源胞外DNA所表征的原核生物物种丰富度仅为培养起始时的60%左右,最低仅为32%左右;而外源胞外ITS DNA所表征的真菌丰富度随着培养时间也表现出显著的差异。土壤胞外DNA的总体降解速率与环境因子表现出了较强的相关性。其中,胞外16S rDNA的整体降解速率与土壤含水量、年均降水量和年均温表现出显著的正相关关系,与土壤pH值和海拔呈现出负相关;胞外ITS DNA的整体降解速率也与土壤含水量呈现出显著的正相关,与海拔呈现出负相关。随培养时间的延长,外源胞外DNA所表征的微生物群落结构表现出显著差异。此外,土壤微生物胞外DNA的降解确实存在类群特异性。具体而言:降解速率较快胞外DNA属于泉古菌门、拟杆菌门、壶菌门和球囊菌门。不同地点的微生物胞外DNA的类群降解速率也表现出一定的差异,并与pH、速效磷、硝态氮和铵态氮等理化性质,以及海拔和年均温等环境因子表现出了显著的相关关系。(3)胞外DNA的留存会导致活体微生物多度和物种丰富度的高估,并显著干扰微生物群落组成的解析。胞内DNA的拷贝数占总DNA拷贝数的40%左右;活体微生物的物种丰富度占总微生物物种丰富度的88%左右;当去除胞外DNA后,活体微生物和总体微生物的群落结构存在约40%的差异。导致这些差异的类群主要是绿弯菌门、厚壁菌门及其门水平下的相应类群。其中,绿弯菌门、Latescibacterota、厚壁菌门和Patescibacteria在整体微生物群落中的相对多度显著高于在活体微生物群落中的相对多度。而Abditibacteriota和Dadabacteria则表现出相反的趋势。有趣的是,胞外DNA降解较快的微生物类群在活体和总微生物群落间表现出了更大的差异。此外,活体微生物群落和整体微生物的群落结构均与土壤pH值、年均温和年均降水量等表现出显著的相关性,但二者与环境因子的关系也存在差异。活体微生物群落结构与总体微生物和活体微生物间的多样性比值,以及二者群落间Bray-Curtis距离表现出了显著相关性。而整体微生物群落结构则与土壤铵态氮含量,以及胞外DNA的降解速率显著相关。本论文的研究结果将有助于优化土壤微生物的研究策略,为微生物相关研究结果的可比性和可信度评估提供重要参考,为土壤微生物研究方法的选择和可靠性评估提供重要参考,为其它常用标记DNA降解速率的测定提供参照。
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