劉海洋,王偉,張仁福,熱西達·阿不都熱合曼,姚舉
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黃萎病不同發生程度棉田土壤中的真菌群落特征分析
劉海洋1,王偉1,張仁福1,熱西達·阿不都熱合曼2,姚舉1
(1新疆農業科學院植物保護研究所/農業部西北荒漠綠洲作物有害生物綜合治理重點實驗室,烏魯木齊 830091;2新疆伊寧市農業技術推廣站,新疆伊寧 835000)
【目的】真菌是土壤微生物系統的重要組成部分,對土壤環境變化有明顯的指示作用。本研究對黃萎病不同發生程度棉田土壤中的真菌群落特征進行分析,旨在探明大麗輪枝菌()入侵棉田對土壤中真菌多樣性和群落結構的影響,揭示土壤中真菌群落在棉花黃萎病發生過程中的生態作用。【方法】以阿克蘇、石河子不同發病程度棉田和庫爾勒人工接菌棉田為研究對象,從中采集6個土壤樣品:阿克蘇重病田土壤(AD)、阿克蘇對照田土壤(ACK)、石河子重病田土壤(SD)、石河子對照田土壤(SCK)、庫爾勒重病田土壤(KD)、庫爾勒對照田土壤(KCK)。采用Illumina Hiseq高通量測序技術,研究土壤中真菌的多樣性及群落結構,結合冗余分析(RDA)明確真菌群落結構與土壤養分的相關性。【結果】在97%相似度水平下,AD和SD樣品中真菌的OTU數量、Chao1和Ace豐富度指數均分別高于其對照ACK、SCK,而Simpson指數均分別低于其對照;人工接菌的KD與其對照KCK樣品之間OTU數量、Chao1和Ace豐富度指數以及Simpson指數均無顯著差異。NMDS分析表明,AD、SD土壤樣品首先表現為明顯的空間趨向性,之后表現為時間趨向性,而庫爾勒土壤樣品則首先表現為時間趨向性,其次是空間趨向性。群落組成方面,在門水平上,土壤中Ascomycota的豐度占絕對優勢,其次為Basidiomycota和Mortierellomycota,3個門在KD與KCK樣品之間以及SD與SCK樣品之間的豐度差異較小,而在AD和ACK樣品之間豐度差異較大;在屬水平上,的豐度最高,其與在不同區域重病田土壤中豐度均高于對照,而均低于對照。此外,AD樣品中、、的豐度均低于ACK,而此3個屬在SD樣品中的豐度均高于SCK樣品。組間差異顯著分析表明,庫爾勒、石河子土壤中的顯著差異標記均主要富集于重病田中,而阿克蘇土壤中顯著差異標記主要富集于無病田中。相關性分析表明,土壤中有機質、全氮量與真菌的OTU數量、豐度呈顯著正相關,與Simpson指數的相關性低;pH、全磷和全鉀與Simpson指數明顯正相關,總鹽與Simpson指數明顯負相關。RDA分析表明,土壤中的真菌群落與有機質、全氮、總鹽明顯相關。【結論】自然重病棉田土壤中真菌的OTU數量、豐度均高于輕病或無病田,而真菌的多樣性低。人工接種大麗輪枝菌短期內未對土壤中真菌的豐度、多樣性和群落結構造成明顯影響。土壤中真菌的多樣性、豐度和組成受有機質、全氮、含鹽量等指標影響顯著。采樣時期對土壤中真菌群落結構同樣有明顯影響。
大麗輪枝菌;棉花黃萎病;入侵;棉田土壤;真菌群落;高通量測序
【研究意義】真菌是土壤微生物系統的重要組成部分,其種群結構的變化能夠反映土壤生態的狀態及變化趨勢[1]。真菌在土壤生態系統中作為分解者[2],其分泌的酶可以降解易分解化合物,有利于植物吸收氮、磷等營養元素[3],在促進土壤生態系統物質循環、形成土壤團聚體和改良土壤結構等方面具有重要作用[4-5]。與細菌相比,真菌能更好地降解復雜化合物[6],對土壤環境的變化更敏感[7],其動態變化可作為土壤生態變化規律的指示因子[8-9]。棉花黃萎病菌(大麗輪枝菌)可在土壤中長期存活,一旦入侵土壤便難以消除。作為土傳病害,棉花黃萎病的發生與土壤微生物群落結構、土壤養分指標等因素密切相關。對新疆棉花黃萎病不同發生程度棉田土壤中的真菌群落特征進行分析,研究黃萎病菌入侵對棉田土壤中真菌多樣性和群落組成的影響,有助于揭示病菌侵染與土壤中真菌群落的互作關系。【前人研究進展】顧美英等[10]研究表明,發病棉花根際土壤中的微生物總量、真菌數量均大于健康棉株,認為大麗輪枝菌侵染棉花能導致其根際土壤中的真菌數量大幅度增加;Luan等[11]報道發病棉花根際土壤中鐮孢菌屬()、輪枝菌屬()數量較多,而在健康棉花根際土中木霉屬()等有益菌的數量顯著高于發病棉花。其他植物受病原菌侵染后亦有較為一致的研究結論,鄧曉等[12]研究表明香蕉枯萎病危害程度中、重度土壤中真菌種類無明顯改變,但是數量較危害程度輕和無危害土壤卻明顯增加。植物根腐病的發生能夠引起土壤中微生物群落結構的明顯改變,王玲娜等[13]研究表明,芹菜根腐病發病初期病株根區真菌的數量較健康株有所減少,而在發病中、晚期病株真菌數量均較健康株有所增加;李雪萍等[14]研究發現,青稞根腐病的發生會使根際土壤細菌和放線菌數量減少,真菌數量增多;官會林等[15]研究表明,三七根腐病的發生與土壤中厭氧細菌、真菌及放線菌數量的增加及其種群數量比例變化有密切的關聯性。葉部病害的發生同樣能夠引起土壤中真菌的富集,吳斌等[16]研究發現,作物地上組織發病如小麥黃花葉病毒病發病嚴重地塊的真菌數量和種類顯著增加。【本研究切入點】目前,利用平板計數等傳統方法分析棉花黃萎病株根際土壤中可培養微生物有少量研究。然而利用Illumina Hiseq高通量測序技術研究棉花黃萎病不同發生程度棉田土壤中真菌多樣性的研究鮮見報道。【擬解決的關鍵問題】對新疆不同區域黃萎病發生程度不同的棉田土壤中真菌群落結構進行深入分析,探明棉田黃萎病發生程度由重至無、由無至重過程中土壤真菌群落的變化特征,以期揭示土壤中的真菌群落在棉花黃萎病發生過程中的生態作用,為利用微生態調控手段防控棉花黃萎病提供理論依據。
2016年在阿克蘇市(40°34′ N,81°19′ E)、庫爾勒市(41°45′ N,85°48′ E)和石河子市(44°18′ N,85°59′ E)分別選擇具有代表性的棉花黃萎病重度發生棉田與無病(輕度)對照棉田各1塊,3地共計6塊棉田(表1)。重病田采集發病等級3以上棉株根圍土,對照田采集健康棉株根圍土,于4月與8月份每塊棉田3點取樣2次,每取樣點間隔50 m,每點取0—10 cm土層小樣5份,每份200 g,混合為1份樣品,每采樣時期計18份混合樣品,共36份混合樣品,經2 mm孔徑過樣篩處理,保存于-80℃冰箱備用。
每塊取樣棉田調查5點,每點調查100株棉花,按照國內棉花黃萎病統一分級標準進行統計,計算每塊取樣棉田病情指數。病情指數=[∑(各級病株數×各級代表值)/(調查總株數×4)]×100。
阿克蘇棉花黃萎病重病田(Aksu disease,AD)為自然棉田,以相鄰的棉花黃萎病重病田經水稻輪作后的無病棉田(Aksu control,ACK)為對照,種植棉花品種均為中棉49號;石河子棉花黃萎病重病田(Shihezi disease,SD)、輕病對照田(Shihezi control,SCK)均為自然棉田,種植棉花品種均為新陸早64號;庫爾勒重病田(Korla disease,KD)為連續3年在無病田中人工接種棉花黃萎病菌改造而來,以相鄰無病田(Korla control,KCK)為對照,種植品種均為新陸中66號。以上棉田均為覆膜滴灌棉田,每個區域重病田與對照田的管理措施一致。棉田發病程度、土壤中微菌核量、土壤養分指標等數據已另文發表[17]。
利用北京百泰克生物技術公司生產的DP4001土壤試劑盒,嚴格按照操作步驟提取土壤總DNA,利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測提取的DNA質量,使用Nano Drop 2000 UV-Vis光譜儀測定DNA濃度,總量滿足3次及以上建庫要求。所用引物為真菌ITS1區域引物:5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3′,5′-GCTGCG TTCTTCATCGATGC-3′;內部ITS1F:AACCTGCGG AAGGATCATT,內部ITS1R:GARCCAAGAGATCC RTTG。PCR擴增程序:95℃預變性5 min;95℃變性30 s,50℃退火30 s,72℃延伸40 s,25個循環;72℃延伸7 min。由北京百邁客生物科技有限公司構建DNA文庫,采用Illumina Hiseq 2500 PE250模式進行測序。
對測序獲得的原始數據使用FLASH V1.2.7軟件,按照最小重疊長度10 bp、重疊區最大錯配比率0.2對每個樣品的序列進行拼接,得到的拼接序列即原始序列。將拼接得到的序列用Trimmomatic軟件設置50 bp的窗口,如果窗口內的平均質量值低于20,截去后端堿基,過濾質控后長度小于標簽長度75%的標簽,使用UCHIME軟件并去除嵌合體,得到高質量的序列。
在相似性97%的水平上使用UCLUST軟件對序列進行聚類,以所有序列數的0.005%作為閾值過濾OTU。在Unite真菌ITS數據庫進行比對。在置信度閾值為0.8利用RDP Classifier軟件進行物種注釋分類,作圖時將豐度低于1%的物種合并為Others在圖中顯示,Unknown代表未得到分類學注釋的OTU。利用ClustalW2軟件進行多重比對,鄰接法(neighbor- joining,NJ)建樹。利用Mothurversion V.1.30軟件進行Alpha多樣性指數分析,包括Chao1豐富度估計量(Chao1 richness estimator)、Ace豐富度估計量(Ace richness estimator)、香農-威納多樣性指數(Shannon- wiener diversity index)與辛普森多樣性指數(Simpson diversity index);基于Binary jaccard、Bray curtis多種算法呈現物種多樣性矩陣,進行Beta多樣性分析(≥3),基于R語言平臺繪制樣本非度量多維尺度分析(NMDS)以及環境因子與樣本組成相關性分析(RDA)。利用LefSe分析方法設定顯著差異的LDA值為4.0,尋找組間豐度差異顯著物種,采用線性判別分析(LDA)來估算每個組分(物種)豐度對差異效果的影響。

表1 棉田土壤樣品
利用Excel軟件對常規數據進行整理、匯總,利用SPSS19.0軟件的ANOVA程序中Duncan分析法對數據進行差異顯著性分析,<0.05為差異顯著。
在97%相似度水平下,AD和SD樣品4月和8月份采集的土壤中真菌的OTU數量、Chao1豐富度指數、Ace豐富度指數均分別高于其對照ACK、SCK樣品,而辛普森指數均分別低于對照。其中SD與SCK樣品的OTU數量存在顯著性差異。人工接菌的KD樣品與對照在OTU數量、Chao1豐富度指數、Ace豐富度指數、辛普森指數方面均極為接近,兩組樣品之間無顯著差異。分析表明,自然發病的重病田中真菌的豐度相比輕病或無病田有所上升而多樣性下降,而人工接入病原菌短期內未對土壤中真菌的豐度和多樣性產生較大影響(表2)。
NMDS分析發現,當應力值=0.1396時,阿克蘇樣品主要分布在第Ⅲ象限,其中AD樣品的4月與8月份樣品距離較近,表現出較高的相似性;ACK樣品的4月與8月份樣品同樣表現出較高的相似性。石河子樣品主要分布在第Ⅱ象限,其中SD樣品的4月、8月份樣品距離近,相似性較高;而SCK樣品的4月與8月份樣品距離較遠,樣品中真菌群落相似差異較大。庫爾勒樣品主要集中在第Ⅰ、Ⅳ象限,KD與KCK兩組樣品的4月份樣品距離較近,相似性較高,但與8月份樣品距離較遠,差異較大。不同區域土壤樣品之間表現出不同的時空趨向性(圖1)。AD、SD中土壤樣品首先表現為明顯的空間趨向性,之后表現為時間趨向性,而庫爾勒土壤樣品則受采樣時間因素影響較大,其次是空間趨向性。
在門水平上,Ascomycota(64.15%—82.10%)的豐度在不同樣品中均占絕對優勢,在AD、KD、SD樣品中豐度均分別低于其對照;而Basidiomycota和Mortierellomycota則在AD、KD、SD樣品中豐度均分別高于其對照。Ascomycota、Basidiomycota以及Mortierellomycota在庫爾勒KD(74.14%、15.07%、3.87%)與其對照KCK樣品(75.07%、14.59%、3.57%)之間以及石河子SD(76.42%、12.96%、3.58%)和其對照SCK樣品(82.10%、10.34%、2.78%)之間豐度相差較小,而在阿克蘇AD(64.15%、18.84%、5.62%)樣品和其對照ACK(80.27%、9.69%、2.67%)樣品之間豐度差異較大,表明病原菌的接入對土壤中門水平優勢真菌群落的影響較小,而ACK樣品取樣田前茬種植水稻則明顯地影響了土壤中門水平優勢真菌的豐度(圖2)。

表2 土壤中真菌的Alpha多樣性指數
同列數據后不同小寫字母表示差異顯著(<0.05)
Different lowercases after data in the same column indicate significant difference (<0.05)

A4:石河子重病田(4月) Serious disease fields of Shihezi (April); B4:A4對照The control of A4;A8:石河子重病田(8月)Serious disease fields of Shihezi (August);B8:A8對照The control of A8;C4:庫爾勒重病田(4月)Serious disease fields of Korla (April);D4:C4對照The control of C4;C8:庫爾勒重病田(8月)Serious disease fields of Korla (August);D8:C8對照The control of C8;E4:阿克蘇重病田(4月)Serious disease fields of Aksu (April);F4:E4對照The control of E4;E8:阿克蘇重病田(8月)Serious disease fields of Aksu (August);F8:E8對照The control of E8

圖2 土壤中門(左圖)和屬(右圖)分類水平的真菌群落結構
在屬水平上,土壤中的豐度最高,其與在不同區域重病田土壤中豐度均高于對照,其中在AD樣品中的豐度(17.53%)約為ACK樣品(8.79%)的2倍;而在不同處理的對照田中均高于重病田。此外,AD樣品中、、、、均低于ACK樣品,而、、在SD樣品中的豐度均高于SCK(圖2)。
組間差異顯著性分析發現,當設定LDA值>4時,不同組樣品之間具有顯著性差異的標記極少。當設定LDA值>3時,庫爾勒土壤中的顯著差異標記均富集于KD樣品組中,包括Aphelidiomycota、Aphelidiomycetes、、等。石河子土壤SD樣品中富集的顯著差異標記為10個,包括Dothideomycetes、、和等,而SCK樣品中僅3個,包括Sordariales、Lasiosphaeriaceae和。阿克蘇土壤中顯著差異標記主要富集于ACK樣品中,有別于石河子和庫爾勒土壤,ACK組樣品中的差異標記包括Hypocreales、Nectriaceae、和等,表明該棉田前茬種植水稻對土壤中真菌的組成產生了較大影響(圖3)。
相關性分析表明,土壤的pH以及全磷、全鉀含量與真菌的辛普森指數的相關系數分別為0.7799、0.6209和0.8848,總鹽與辛普森指數顯著負相關,相關系數為-0.7604,但以上指標均與OTU數量、Chao1豐富度、Ace豐富度的相關性低。有機質、全氮量與真菌的OTU數量、Chao1豐富度、Ace豐富度呈顯著正相關,但與辛普森指數相關性低(表3)。

圖3 不同處理組間差異顯著性分析

表3 土壤養分、pH及有機質與真菌多樣性指數的相關性
冗余分析表明,土壤中的真菌種群主要與土壤養分明顯相關,其中、、、、等與全鹽量呈正相關,主要集中在第Ⅲ象限,、、、與含鹽量成負相關,集中在第Ⅰ象限;而、、、、與土壤中有機質、全氮量呈正相關,集中在第Ⅳ象限,與之呈顯著負相關(圖4)。
病原菌侵染作物后,能使其根部發生組織結構變化的同時,也可改變其分泌物中某些成分及含量,根系分泌物是植物與土壤進行物質交換的載體,在調節植物與土壤微生物互作方面發揮著重要作用[18],當改變的根系分泌物擴散到土壤后,影響了作物根際的土壤環境,從而致使作物根際微生物數量及種類發生特定變化[19-20]。已有研究表明,棉花黃萎病發生能夠引起其根際土壤中真菌的富集,土壤中真菌數量、致病真菌種類均明顯增加[10-11],在糧食、蔬菜等作物上亦得出一致的結論[12-16]。本研究發現,阿克蘇、石河子重病棉田發病棉花根圍土中真菌的OTU數量、豐度在兩個采樣時期均高于無病田或輕病田中的健康棉株根圍土,而真菌的多樣性降低,其中阿克蘇重病田與種植過水稻的對照棉田之間存在顯著差異,該結果與前人研究基本一致。但是,棉田接種病原菌處理(KD)土壤中真菌的OUT數量、豐度與其對照相比雖無顯著差異,卻略低于對照,且AD、SD樣品中真菌群落首先表現為空間趨向性,之后為時間趨向性,而庫爾勒土壤樣品則受采樣時間因素影響更大,其次是空間因素,兩方面結果均與阿克蘇、石河子自然發病棉田數據不一致,反映了病原菌入侵短期內對土壤中真菌的豐度、多樣性和組成影響有限,推測可能與接種年限或植物根際分泌物的影響范圍有關,還需進一步驗證。

含鹽量Total salt content;全氮量 Total nitrogen content;有機質 Organic matter content
前人研究認為,土壤養分、pH、有機質等是影響土壤微生物群落結構的重要因素[21-22],Yu等[23]研究發現有機肥處理后土壤中細菌、放線菌的群落多樣性、香農指數升高,氮肥處理后真菌水平升高。本研究發現不同分類水平真菌的組成存在差異,在門分類水平上,土壤中豐度高的真菌子囊菌門、擔子菌門與Mortierellomycota在庫爾勒人工接菌棉田與其對照之間以及石河子自然發病棉田與其對照之間的豐度差異較小,而在阿克蘇重病田與其水稻輪作處理的對照之間豐度差異較大。在屬分類水平上,不同區域土壤中除擲孢酵母屬、被孢霉屬和的豐度在重病田與對照田之間變化一致外,其余菌屬在不同處理組內豐度無一致變化規律。作為驗證病害發生對土壤中真菌影響程度的人工接菌土壤(KD、KCK),其在土壤真菌的豐度、多樣性和組成的變化方面均與自然發病棉田處理組間無明顯差異,因此認為發病程度可能對棉花根圍土壤微生物群落結構的影響有限,為此,研究了土壤養分等指標與真菌的多樣性以及群落結構的相關性。利用相關性和RDA分析表明,全氮、有機質、含鹽量、全鹽、pH等指標對土壤中真菌多樣性、群落組成的影響顯著,這與王巍巍等研究結果一致[24-26]。
棉花黃萎病防治困難,明確土壤中大麗輪枝菌的動態以及大麗輪枝菌入侵棉田與土壤中真菌群落的動態關系,對于利用微生態調控措施防控棉花黃萎病具有重要意義。前期研究發現,經水稻輪作棉田(ACK)不僅提高了土壤肥力,還消滅了土壤中的大麗輪枝菌,杜絕了病害發生;而棉田地力水平最高、連作達30年的重病棉田(SD)土壤中,大麗輪枝菌菌源數量卻高達193個/g土[17]。本研究表明,在土壤中含有病原菌的前提下,不改變種植作物以及栽培模式,僅改善土壤肥力可能加重病害的發生。而通過不同作物間作、輪作和種植抗病品種等,利用不同作物根系分泌的化感物質持續對土壤中微生物群落結構進行調節,增加土壤中有益菌群數量,降低病原菌數量,在“農藥、化肥”雙減戰略下可能是防控土傳病害的有效手段。
自然發病重棉田土壤中真菌的OTU數量、豐度均高于輕病或無病田,但多樣性降低;而棉田內人工接種大麗輪枝菌短期內并未對土壤中真菌的豐度、多樣性和群落結構造成明顯影響。相關性分析表明,土壤中真菌的多樣性、豐度和組成主要受有機質、全氮、含鹽量等指標決定,且采樣時期同樣對土壤中真菌群落結構有明顯影響。
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Fungal Community Structure of Cotton-Field soil under different incidences of CottonWilt
LIU HaiYang1, WANG Wei1, ZHANG RenFu1, Raxida·Abdurahman2, YAO Ju1
(1Institute of Plant Protection, Xinjiang Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Integrated Pest Management on Crops in Northwestern Oasis, Ministry of Agriculture,Urumqi 830091;2Agricultural Technology Extension Station of Yining County, Yining 835000, Xinjiang)
【Objective】Fungus is an important part of soil microbial system, which can obviously indicate the change of soil environment. The objective of this study is to analyze the characteristics of fungal communities in cotton-field soil with different incidences ofwilt, determine the effect ofon the diversity and community structures of fungi in cotton fields, and to reveal the ecological function of fungi community in soil during the occurrence ofwilt.【Method】Cotton fields with different incidences ofwilt in Aksu and Shihezi, and artificially inoculated cotton field in Korla were chosen as research objects. Six soil samples collected from serious diseased fields in Aksu (AD), Korla (KD), Shihezi (SD) and their controls were tested, respectively. Illumina Hiseq high-throughput sequencing technique was used to study the diversity and community structure of fungi in soil. The correlation between fungal community structure and soil nutrients was clarified with redundancy analysis (RDA).【Result】At the similarity level of 97%, the OTU number, Chao1 and Ace richness index of fungi in AD and SD samples were higher than those of ACK and SCK samples, while the simpson index was lower than that of control. There was no significant difference in OTU number,Chao1 and Ace richness index and Simpson index between artificially inoculated KD and control KCK samples.NMDS analysis showed that the soil samples of AD and SD had spatial tendency first and then temporal tendency, while the soil samples in Korla had temporal tendency first and then spatial tendency. In terms of community composition, at the phylum level, the abundance of Ascomycota in soil was dominant, followed by Basidiomycota and Mortierellomycota.The abundance differences of the three phylum groups between KD and KCK samples and between SD and SCK samples were relatively small, while those between AD and ACK samples were relatively larger. At the genus level,had the highest abundance, and the abundances of bothandwere higher than those of the control in the soils of seriously diseased field in different regions, butwas lower than that of the control. In addition, the abundance of,andin AD samples was lower than that of ACK samples, while the abundance of these three genera in SD samples was higher than that of SCK samples. The significant difference analysis among groups indicated that the significant difference markers in Korla and Shihezi soils were mainly concentrated in the seriously diseased fields, while in Aksu soils they were mainly concentrated in disease-free fields. Correlation and RDA analysis showed that soil organic matter and total nitrogen content were positively correlated with OTU number and abundance of fungi, but had low correlation with Simpson index. The pH, total phosphorus and total potassium were positively correlated with Simpson index, while total salt was negatively correlated with Simpson index.【Conclusion】The OTU number and abundance of fungi in the soil of natural seriously diseased cotton fields are higher than those in the control, but the diversity of fungi is low. In the short term, artificial inoculation does not have significant effects on the abundance, diversity and community structure of the fungi in the soil. The diversity, abundance and composition of fungi in soil are significantly affected by the indexes of organic matter, total nitrogen and salt content. The sampling period also has significant effects on the community structure of fungi in soil.
; cottonwilt;invasion; cotton-field soil; fungal community; high-throughput sequencing
10.3864/j.issn.0578-1752.2019.03.006
2018-08-07;
2018-11-16
國家重點研發計劃(2017YFD0201106)、新疆維吾爾自治區公益性科研院所基本科研業務費(KY201807)
劉海洋,E-mail:xaaslhy@126.com。通信作者姚舉,E-mail:yaoju500@sohu.com
(責任編輯 岳梅)