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茶园土壤微生物在茶园土壤肥力保持和生态系统健康维持过程中起着至关重要的作用。现有关于茶园土壤微生物的研究大都基于培养法,少部分学者也以高通量测序技术为基础开展了一定的研究,但是基于多组学的茶园土壤微生物组研究仍鲜见报道。鉴于此,本研究以中国著名的珍稀绿茶良种安吉白茶种植茶园为研究对象,综合利用扩增子测序、宏基因组学和非靶向代谢组学等技术,研究了不同植茶年限安吉白茶茶园土壤理化性状、微生物群落组成和结构的变化情况,阐明了不同植茶年限安吉白茶茶园土壤中功能基因类型和主要代谢途径,明确了不同植茶年限安吉白茶茶园土壤中主要的一级和二级代谢产物,揭示了不同植茶年限安吉白茶茶园土壤的差异代谢物种类,为安吉白茶茶园土壤生态系统健康维持提供理论基础和科学依据,主要结果如下:
(1)三个不同植茶年限茶园土壤粒径组成基本无显著差异,大部分以砂粒为主(约90%左右)。安吉白茶茶园土壤部分化学指标随着植茶年限的增加而呈现不同的变化趋势,土壤pH随着植茶年限的增加而呈现逐渐降低的趋势,土壤有机质、硝态氮(NO3--N)、总磷(TP)、有效磷(AP)和有效钾(AK)等指标则随着植茶年限的增加而显著增加,土壤总钾(TK)的含量随着植茶年限的增加而呈现先下降后上升的变化趋势。
(2)不同植茶年限安吉白茶茶园土壤细菌群落性辛普森指数变化规律与香农-威纳多样性指数一致,植茶年限最小的样地最高,植茶年限最高的样地次之,而植茶年限中等的样地最低。不同植茶年限安吉白茶茶园土壤微生物以细菌为主,主要细菌门类为Proteobacteria(变形菌门)、Acidobacteria(酸杆菌门)、Actinobacteria(放线菌门)(占全部序列的93.88%)。Gammaproteobacteria unclassified(未分类的γ-变形菌属)、Gp2和Acetobacteraceae(醋杆菌属)丰度较高,且在不同植茶年限安吉白茶茶园土壤的细菌群落中存在显著差异(P<0.05)。
(3)宏基因组测序得到的结果与16S rDNA测序得到的结果具有一定的相似性,Actinobacteria(放线菌门)、Acidobacteria(酸杆菌门)、Proteobacteria(变形菌门)在不同植茶年限茶园土壤中具有较高的丰度。60%以上的基因均能得到注释,其中新陈代谢、环境信息加工和遗传信息加工等几类的基因丰度远高于人类疾病、细胞过程和生物体系统。不同植茶年限茶园土壤中某些代谢通路之间和差异基因表达数量之间存在显著性的差异,尤其是植茶年限最低和最高的两个茶园土壤差异最为显著,其中差异基因表达富集程度最高的代谢途径为Plant hormone signal transduction,但Unigene的数目相对较少。
(4)基于HMDB(Human metabolome database)和KEGG(Kyoto encyclopedia of genes and genomes)两个数据库的鉴定结果均表明,正离子模式下总计鉴定到的一级代谢物种类与负离子模式下鉴定到的一级代谢物种类基本一致,但是正离子模式下鉴定到的一级代谢物数量要高于负离子模式。HMDB数据库鉴定结果发现安吉白茶茶园土壤中的脂类和类脂分子与苯丙酸和聚酮两类代谢物的数量最多,分别占总代谢物的66.7%和77.5%。而基于KEGG数据库的一级代谢物种类结果表明,新陈代谢是最主要的代谢途径,在正离子模式和负离子模式下分别占总代谢物的96.6%和97.4%。
(5)差异代谢物在不同植茶年限茶园土壤之间存在显著差异,植茶年限最低和中等分别与植茶年限最高的茶园土壤代谢物相比(即LvsH和MvsH),下调的代谢物数量均要高于上调的代谢物数量;植茶年限最低与植茶年限中等的茶园土壤代谢物相比(即LvsM),上调的代谢物数量均要高于下调的代谢物数量。植茶年限最高的茶园土壤微生物代谢功能和途径相对较为丰富和稳定,而植茶年限最低和中等的茶园土壤微生物类群尚未达到稳定状态。
(1)三个不同植茶年限茶园土壤粒径组成基本无显著差异,大部分以砂粒为主(约90%左右)。安吉白茶茶园土壤部分化学指标随着植茶年限的增加而呈现不同的变化趋势,土壤pH随着植茶年限的增加而呈现逐渐降低的趋势,土壤有机质、硝态氮(NO3--N)、总磷(TP)、有效磷(AP)和有效钾(AK)等指标则随着植茶年限的增加而显著增加,土壤总钾(TK)的含量随着植茶年限的增加而呈现先下降后上升的变化趋势。
(2)不同植茶年限安吉白茶茶园土壤细菌群落性辛普森指数变化规律与香农-威纳多样性指数一致,植茶年限最小的样地最高,植茶年限最高的样地次之,而植茶年限中等的样地最低。不同植茶年限安吉白茶茶园土壤微生物以细菌为主,主要细菌门类为Proteobacteria(变形菌门)、Acidobacteria(酸杆菌门)、Actinobacteria(放线菌门)(占全部序列的93.88%)。Gammaproteobacteria unclassified(未分类的γ-变形菌属)、Gp2和Acetobacteraceae(醋杆菌属)丰度较高,且在不同植茶年限安吉白茶茶园土壤的细菌群落中存在显著差异(P<0.05)。
(3)宏基因组测序得到的结果与16S rDNA测序得到的结果具有一定的相似性,Actinobacteria(放线菌门)、Acidobacteria(酸杆菌门)、Proteobacteria(变形菌门)在不同植茶年限茶园土壤中具有较高的丰度。60%以上的基因均能得到注释,其中新陈代谢、环境信息加工和遗传信息加工等几类的基因丰度远高于人类疾病、细胞过程和生物体系统。不同植茶年限茶园土壤中某些代谢通路之间和差异基因表达数量之间存在显著性的差异,尤其是植茶年限最低和最高的两个茶园土壤差异最为显著,其中差异基因表达富集程度最高的代谢途径为Plant hormone signal transduction,但Unigene的数目相对较少。
(4)基于HMDB(Human metabolome database)和KEGG(Kyoto encyclopedia of genes and genomes)两个数据库的鉴定结果均表明,正离子模式下总计鉴定到的一级代谢物种类与负离子模式下鉴定到的一级代谢物种类基本一致,但是正离子模式下鉴定到的一级代谢物数量要高于负离子模式。HMDB数据库鉴定结果发现安吉白茶茶园土壤中的脂类和类脂分子与苯丙酸和聚酮两类代谢物的数量最多,分别占总代谢物的66.7%和77.5%。而基于KEGG数据库的一级代谢物种类结果表明,新陈代谢是最主要的代谢途径,在正离子模式和负离子模式下分别占总代谢物的96.6%和97.4%。
(5)差异代谢物在不同植茶年限茶园土壤之间存在显著差异,植茶年限最低和中等分别与植茶年限最高的茶园土壤代谢物相比(即LvsH和MvsH),下调的代谢物数量均要高于上调的代谢物数量;植茶年限最低与植茶年限中等的茶园土壤代谢物相比(即LvsM),上调的代谢物数量均要高于下调的代谢物数量。植茶年限最高的茶园土壤微生物代谢功能和途径相对较为丰富和稳定,而植茶年限最低和中等的茶园土壤微生物类群尚未达到稳定状态。