甘肃酒泉甘草根际土壤线虫群落多样性研究

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  摘要
  为明确甘肃酒泉地区甘草根际土壤线虫群落特征,于2014年7月和9月,采集甘草根际土壤,利用淘洗-过筛-蔗糖离心法分离线虫,根据线虫形态学特征进行鉴定。结果表明,从甘草根际土壤样品中共分离到植物寄生线虫1目4科5属,非植物寄生线虫4目7科16属。真滑刃属(Aphelenchus)和中杆属(Mesorhabditis)为甘草根际土壤线虫的优势属。与7月份相比,9月份甘草根际土壤线虫个体密度和类群数显著减少,多样性指数(H′)和丰富度指数(SR)降低,且丰富度指数(SR)降幅显著,均匀度指数(J′)显著高于7月份,月份间PPI/MI差异显著,表明外界环境及人类活动对甘草土壤线虫功能类群影响较大;瓦斯乐斯卡指标(WI)为6.55,且7月份显著大于9月份,表明酒泉地区土壤健康指数较高,土壤健康状况良好。
  关键词
  甘肃酒泉;甘草根际;土壤线虫;多样性;土壤健康
  中图分类号:
  S 435.67
  文献标识码:A
  DOI:10.3969/j.issn.05291542.2016.03.021
  Abstract
  To clarify the community characteristics of soil nematodes in Glycyrrhiza uralensis rhizosphere in Jiuquan City of Gansu Province, soil nematodes were extracted and identified in July and September, 2014. The results showed that 1 order, 4 families and 5 genera of nematodes in the G. uralensis rhizosphere belonged to plantparasitic nematodes and 4 orders, 7 families and 16 genera of nematodes belonged to nonplantparasitic nematodes. Among them, Aphelenchus and Mesorhabditis were the dominant genera. The individual density, generic number and maturity index of soil nematodes in September were significantly lower than those in July, whereas the Pielou index was significantly higher than that in July. The PPI/MI ratio was significantly different among different months. The results suggested that external environment and human activity had great influence on functional groups of soil nematodes of G. uralensis. Wasilewska index was 6.55, which indicated the health index of G. uralensis soil in Jiuquan was relatively high, and the soil health condition was fine.
  Key words
  Jiuquan, Gansu;Glycyrrhiza uralensis rhizosphere;soil nematode;diversity;soil health
  甘草(Glycyrrhiza uralensis)為豆科甘草属多年生草本植物,以根与根茎入药,具有补脾益气、清热解毒、祛痰止咳、缓急止痛、调和诸药等功效,是我国临床最常用的中药材之一[1]。甘肃是我国甘草生产和种植的主要产区之一,种植面积已超过2万hm2,产量占全国的25%以上,仅酒泉地区种植面积已达1万hm2,其中瓜州县种植面积已超过0.7万hm2,成为全国最大的人工甘草种植基地,经济效益显著,发展势头好,是当地农民增收、致富的重要来源之一。
  土壤线虫类群多,数量大,广泛分布于各种生境的土壤中,以土壤有机体为食,在土壤食物网中占重要地位。线虫分为有益线虫和有害线虫,其中有益线虫,如食细菌线虫、食真菌线虫和捕食/杂食性线虫等在土壤耕作过程中起积极作用[2];而有害线虫是一类造成农作物严重损失的植物寄生线虫[3]。它在侵入寄主的过程中对植物细胞造成损伤,其食道腺分泌物对植物组织造成伤害并导致病害发生。植物寄生线虫还可以传播病菌和病毒从而加重植物的受害程度,造成农作物产量下降,农产品的品质降低[45]。近年来甘草种植地区根腐病的发生日趋严重,线虫的危害是主要原因之一。调查分析作物根际土壤线虫种群结构,了解植物根际土壤健康状况、有害线虫的危害程度和有益线虫的利用都具有重要意义[5],对病害防治起到指导作用[67]。本试验对甘肃省酒泉市甘草根际土壤线虫群落多样性进行研究,旨在为甘草根际有益线虫的利用和有害线虫的防治以及土壤的可持续利用提供科学依据。
  1材料和方法
  1.1样本采集
  于2014年7月、9月,在甘肃省酒泉市瓜州县布隆吉乡、腰站子乡和河东乡甘草种植区,每个乡定点选取一块甘草种植田,采用五点取样法对甘草根际进行土壤线虫取样。用直径2.4 cm土钻取深度为0~40 cm土壤样品约300 g,放入封口塑料袋中,写好标签,带回实验室处理。   1.2土壤线虫的分离和鉴定
  每份土样称取100 g,采用淘洗过筛蔗糖离心法分离提取土壤线虫[8]。将土壤线虫悬浮液置于60℃水浴锅3 min杀死线虫,用TAF固定液进行固定。在光学显微镜下根据线虫形态特征进行线虫属的鉴定[911],分别统计各属线虫的数量,根据土壤含水量将各类线虫折算成每100 g干土含有的线虫数量。计算土壤线虫类群数(个/100 g干土)和个体密度(条/100 g干土)。根据线虫的头部形态学特征和取食生境将土壤线虫分为食细菌线虫(bacterivores,Ba)、食真菌线虫(fungivores,Fu)、植物寄生线虫(plant parasites,PP)、捕食性/杂食性线虫(predators/omnivores,PO)四大类[12]。
  1.3土壤线虫群落多样性评价
  各类群多度根据每个属个体线虫数量占总捕获量的百分比划分,将其划分为3个等级:10%以上为优势属( );1%~10%为常见属( );1%以下为稀有属( )[1213]。
  本文采用国内外学者普遍采用的ShannonWiener多样性指数(H′)、Pielou均匀度指数(J′)和Margalef丰富度指数(SR)对土壤线虫群落进行多样性分析[1415];采用自由生活线虫(非植物寄生性线虫)成熟度指数(maturity index,MI)、植物寄生线虫成熟度指数(plant parasite index,PPI)、所有线虫(非植物寄生线虫和植物寄生线虫)的总成熟度指数(∑MI)和PPI/MI表示各生境土壤线虫群落功能结构特征[1617];以瓦斯乐斯卡指标(Wasilewska index,WI)表示土壤线虫结构组成,反映土壤健康本质[1819]。公式如下:
  ShannonWiener多样性指数:H′=-∑si=1Pi·lnPi;
  Pielou均匀度指数:J′=H′/H′max,H′max=lnS;
  Margalef丰富度指数:SR=(S-1)/lnN;
  植物寄生线虫成熟度指数:PPI=∑ni=1cPi·Pi;
  所有线虫成熟度指数:MI(∑MI)=∑ni=1cPi·Pi;
  瓦斯乐斯卡指标:WI=(Ba Fu)/PP;
  式中Pi为第i个属的个体所占的比例;S为土壤线虫群落中所鉴定属的数目;N为线虫群落中线虫的总个体数;n为非植物寄生性(或植物寄生性)土壤线虫类群数;cPi为非植物寄生性(或植物寄生性)土壤线虫第i类群colonizerpersister(cp)值,根据Bongers[16]给出的cp值表,cp的范围为1~5;Ba为食细菌线虫数量,Fu为食真菌线虫数量,PP为植物寄生线虫数量。
  1.4数据统计
  运用SPSS 17.0和Excel软件对数据进行统计分析,所得数据均用平均数±标准误表示。利用单因素方差分析和LSD比较平均值的差异显著性(P<0.05)。
  2结果与分析
  2.1甘草根际土壤线虫群落组成
  在甘肃省瓜州县不同地区甘草根际土壤中分离获得的线虫隶属于5目11科21属(表1)。其中植物寄生线虫1目4科5屬,包括短体属(Pratylenchus)、伪垫刃属(Nothotylenchus)、散香属(Boleodorus)、丝尾垫刃属(Filenchus)和螺旋属(Helicotylenchus);非植物寄生线虫4目7科16属,其中食细菌线虫2目4科10属,食真菌线虫1目2科2属,捕食性/杂食性性线虫1目1科4属。植物寄生线虫中短体属(Pratylenchus)数量最多,占总捕获量的3.49%;食细菌线虫中中杆属(Mesorhabditis)数量最多,占总捕获量的18.82%;食真菌线虫中真滑刃属(Aphelenchus)数量最多,占总捕获量的19.78%;捕食性/杂食性线虫中盘咽属(Discolaimus)数量最多,占总捕获量的6.37%。
  甘草根际土壤线虫中真滑刃属(Aphelenchus)和中杆属(Mesorhabditis)为优势属,个体数占总捕获量的38.60%;拟丽突属(Acrobeloides)等为常见属,个体数占总捕获量的59.62%;滑刃属(Aphelenchoides)、孔咽属(Aporcelaimus)和地单宫属(Geomonhystera)为稀有属,个体数占总捕获量的1.78%。
  2.2甘草根际土壤线虫多样性
  对不同月份间甘草根际土壤线虫有关生态指数进行比较。7月份(生长期)土壤线虫类群数和个体密度均高于9月份(收获期),并且差异显著(P<0.05)。与7月份相比,9月份多样性指数(H′)和丰富度指数(SR)都下降,而且丰富度指数(SR)下降幅度较大,与7月份差异显著(P<0.05);但均匀度指数(J′)较7月份显著升高(P<0.05)(表2)。
  2.3甘草根际土壤线虫功能类群特征
  运用∑MI指数、MI指数、PPI指数和PPI/MI研究不同月份甘草根际土壤线虫功能类群特征。与7月份相比,9月份MI指数和∑MI指数降低,但差异不显著(P>0.05);PPI指数和PPI/MI值升高,并且差异显著(P<0.05)。甘草地WI的平均值为6.55,其中9月份WI值低于7月份,并且差异显著(P<0.05)(表3)。
  2.4甘草根际土壤线虫各营养类群组成
  对甘草根际土壤线虫各营养类群优势度进行分析,非植物寄生线虫优势度为87.38%,其中食细菌线虫占主要优势,优势度达到55.79%,食真菌线虫和捕食性/杂食性线虫优势度分别为20.70%和10.89%,而植物寄生线虫的优势度仅为12.62%(表1)。与7月份相比,9月份食细菌线虫、食真菌线虫和捕食性/杂食性线虫个体数量降低,且食细菌性线虫和捕食性/杂食性线虫个体数量降幅显著(P<0.05),而植物寄生线虫个体数量升高,但差异不显著(P>0.05)(表4)。   3结论与讨论
  本研究从甘肃省酒泉市甘草根际土壤中分离获得植物寄生线虫4科5属,个体数占总捕获量的12.62%,短体属(Pratylenchus)和伪垫刃属(Nothotylenchus)占主要优势,其次是散香属(Boleodorus)、丝尾垫刃属(Filenchus)和螺旋属(Helicotylenchus)。其中短体属线虫是一类不定居的迁移性半内寄生植物线虫,主要取食根表皮造成根部损伤,引起根部组织坏死,并能诱引其他病原物的继发性侵染而导致根腐,使植物呈现生长衰退和萎蔫症状,导致严重的根部病害[2023];螺旋属线虫是世界上10个重要的植物寄生线虫属之一,发生普遍[24],危害多种农作物,引起根部细胞坏死,可以与其他病原物如青枯菌等联合作用加重植株的受害程度[25]。伪垫刃属、散香属、丝尾垫刃属等都是植物病原线虫,对植物也可以造成一定的危害。据此认为,植物寄生线虫可能是引起甘草根腐病发生的重要原因之一。从甘草根际土壤获得非植物寄生线虫7科16属,其中食细菌线虫4科10属,是主要的营养类群,中杆属(Mesorhabditis)占主要优势;食真菌线虫2科2属,真滑刃属(Aphelenchus)占主要优势,并且个体数在总捕获量中最多;捕食性/杂食性线虫1科4属,盘咽属(Discolaimus)占主要优势。在一般农事操作的土壤生态系统中,植物寄生线虫数量占总线虫数量的6%~20%,食细菌线虫数量占总线虫数量的48%~76%[26]。本研究甘草地植物寄生线虫和食细菌线虫的数量都在常规范围内,表明本地区土壤线虫营养类群结构处于稳定状态。从甘草根际土壤获得的线虫类群种类和数量可能与当地的气候条件、地理位置和土壤类型等有关,这些因素对土壤线虫类群有显著的影响。
  生物多样性是群落组成结构的重要指标,它能反映群落内物种的多少和生态系统食物网的复杂程度及稳定性,并能反映各生境之间的相似性和差异性[27]。甘草根际土壤线虫多样性分析结果显示,与7月份相比,9月份线虫类群数和个体密度明显降低;多样性指数(H′)和丰富度指数(SR)也降低;只有均匀度指数(J′)有所升高。这与研究地区的环境和气候变化密切相关,7月份气温较高,灌溉施肥及时,植株生長良好,而9月份气温偏低,植株到了收获期,从而造成甘草根际土壤线虫群落类群数、个体密度以及多样性的差异。
  Bongers[16]提出用MI和PPI来反映土壤线虫群落功能结构特征,后来Yeates等[17]又提出∑MI。其中MI和PPI分别用于指示非植物寄生线虫和植物寄生线虫r和k选择类群的比例,显示线虫生活周期、繁殖力和抗干扰能力的强弱[28]。本研究9月份MI和∑MI低于7月份,而PPI显著高于7月份,表明月份间不同外界环境和人类生产活动的干扰对甘草地各类线虫r和k选择类群的比例有一定的影响,与非植物寄生线虫相比,植物寄生线虫对外界干扰更敏感。在MI、PPI和∑MI的基础上Bongers等[29]又提出了PPI/MI值,他认为扰动会使土壤线虫群落PPI/MI值升高,而未受扰动的自然环境线虫PPI/MI值将低于扰动环境,PPI/MI值可能更适合于反映来自外界环境的干扰特征。本研究9月份甘草土壤线虫PPI/MI值显著高于7月份,这表明人类生产活动对甘草土壤生态环境产生了较为明显的干扰,改变了甘草土壤线虫功能类群的组成。
  瓦斯乐斯卡指标(WI)表明土壤线虫种群结构组成,反映土壤健康本质。WI越大,说明土壤越健康;当WI为1时,表明单位土壤中有益的非植物线虫的数量与有害的植物线虫的数量相当,说明土壤健康程度一般;WI小于1时,说明土壤健康程度差,需要重视土壤的合理使用。关于甘肃地区植物根际土壤线虫种群结构和土壤健康指数之间的相互关系有一些报道,刘奇志等[3031]研究发现天水地区油菜园和小麦地植物寄生线虫占很大的比例,分别为61%和68%,WI都小于1,表明这些地区蔬菜田和小麦田土壤健康指数很低,土壤健康状况差,应引起高度警惕;而漆永红等[5]研究发现嘉峪关地区洋葱根际植物寄生线虫仅占11%,其WI为8.09,表明嘉峪关地区洋葱种植地土壤健康状况良好。本研究结果表明,WI的平均值为6.55,远大于1,说明本地区甘草种植田土壤健康指数较高,土壤健康状况良好。7月份WI显著大于9月份,说明人类活动对甘草土壤线虫营养类型的组成有较大的影响。
  国内外关于甘草根际土壤线虫群落多样性结构及营养类群的研究报道较少。本文首次报道了甘肃酒泉甘草根际土壤线虫的群落组成、多样性结构、功能类群特征及营养类群组成,并依据土壤线虫种群结构组成反映种植甘草的土壤健康程度。找出了可能造成甘草根腐病的几种主要的植物寄生线虫,关于具体是哪种植物寄生线虫影响甘草根腐病的发生有待进一步的研究。
  参考文献
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