萬(wàn)年縣古稻原產(chǎn)區(qū)細(xì)菌多樣性分析及功能預(yù)測(cè)*

劉亞軍 ,汪成缽 ,章 濤 ,葉 翠 ,儲(chǔ)小東 ,廖文成 ,李榮富,吳永明**

(1.江西省科學(xué)院微生物研究所 南昌 330096;2.江西省煤田地質(zhì)勘察研究院 南昌 330001)

水稻(Oryza sativa)是我國(guó)主要的糧食作物,為提高作物產(chǎn)量,農(nóng)藥和化肥被大量施用,嚴(yán)重威脅著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)化發(fā)展[1-2]。萬(wàn)年貢谷原名“塢源早”,是一種人工栽培的野生稻,起源于南北朝時(shí)期,以江西省萬(wàn)年縣裴梅鎮(zhèn)荷橋村最為正宗。受當(dāng)?shù)鬲?dú)特水土環(huán)境的影響,加之采用傳統(tǒng)環(huán)境友好的耕作方式,保證了萬(wàn)年貢谷優(yōu)良品質(zhì),富含蛋白質(zhì)、維生素B和多種有益微量元素[3]。然而,目前關(guān)于萬(wàn)年貢谷原產(chǎn)區(qū)土壤環(huán)境特異性的研究較為缺乏。

萬(wàn)年縣古稻原產(chǎn)區(qū)主要分布在裴梅鎮(zhèn)一帶,地處珠溪河上游、懷玉山北麓的丘陵峽谷地帶,稻田土壤常年溫度在15 ℃左右,富含N、P、K 及Cu 等元素,形成貢谷生長(zhǎng)得天獨(dú)厚的自然環(huán)境。此外,古稻生長(zhǎng)周期180 d 左右,為保證作物產(chǎn)品質(zhì)量,當(dāng)?shù)貓?jiān)持施撒有機(jī)肥和人工去除雜草等低強(qiáng)度管理措施,從而有效地保護(hù)了當(dāng)?shù)氐耐寥拉h(huán)境。同樣位于珠溪河流域的鄰近區(qū)域稻田,多采用現(xiàn)代農(nóng)田管理方式,大量使用化肥和農(nóng)藥。大量的研究發(fā)現(xiàn),差異化的管理措施不僅會(huì)影響土壤的養(yǎng)分狀況,還會(huì)影響土壤 的結(jié)構(gòu)特征[4-5]。微生物作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的一部分,參與了幾乎所有的土壤過(guò)程,其催化的養(yǎng)分循環(huán)直接關(guān)系到作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[6]。同時(shí),微生物對(duì)土壤環(huán)境變化極度敏感,能夠很好地指示土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的改變[7]。因而,關(guān)于農(nóng)田系統(tǒng)微生物的研究越來(lái)越受到重視。長(zhǎng)期施肥不僅提高了耕地土壤微生物的豐度,還能夠改變微生物的組成類(lèi)群[8]。化肥和農(nóng)藥的過(guò)量施用則會(huì)顯著改變N 循環(huán)相關(guān)功能菌群,包括硝化、反硝化和厭氧氨氧化古菌/細(xì)菌,從而對(duì)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響[9]。考慮到微生物的重要性,通過(guò)調(diào)節(jié)和控制地下生物過(guò)程可作為提高水稻產(chǎn)量和減少肥料對(duì)環(huán)境不利影響的一種策略,從而有助于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展。有研究發(fā)現(xiàn),平衡施肥能夠維持水稻土微生物群落多樣性特征,可能有助于提高土壤肥力和水稻產(chǎn)量[10]。然而,土壤質(zhì)量變化是一個(gè)緩慢的過(guò)程[11],同時(shí)微生物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定也需要一定的時(shí)間[12]。因此,研究長(zhǎng)期、無(wú)間斷健康管理下古稻種植區(qū)的土壤微生物群落及其功能特征,不僅可以明晰古稻原產(chǎn)區(qū)土壤微生態(tài)環(huán)境的特異性,為貢米的推廣種植提供理論依據(jù),同時(shí)對(duì)于規(guī)范水田管理措施也至關(guān)重要。

據(jù)此,本研究以古稻原產(chǎn)區(qū)(江西省萬(wàn)年縣裴梅鎮(zhèn))及其周邊區(qū)域常規(guī)稻田土壤為研究對(duì)象,分析水稻土壤物化性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)及其功能潛力,探求古稻原產(chǎn)區(qū)土壤微生態(tài)環(huán)境特征,為農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)、生態(tài)治理及創(chuàng)建生態(tài)友好型水稻種植模式提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

萬(wàn)年縣地處江西省東北中部(圖1),屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候,年均氣溫17.5 ℃,年均無(wú)霜期為260 d,年均降水量為1908.4 mm。萬(wàn)年縣是一個(gè)典型的特色農(nóng)業(yè)縣,素有“南方古稻米之鄉(xiāng)”和“中國(guó)貢米之鄉(xiāng)”等美譽(yù)。萬(wàn)年貢米原產(chǎn)區(qū)集中在裴梅鎮(zhèn),位于懷玉山北麓的丘陵峽谷地帶,土壤屬偏酸性黏土,獨(dú)特的水土環(huán)境和優(yōu)化的田間管理方式是保持萬(wàn)年貢米高質(zhì)量的保障。鄰近區(qū)域包括上坊鄉(xiāng)和珠田鄉(xiāng),均位于樂(lè)安河支流—珠溪河匯集區(qū)內(nèi)。

圖1 研究區(qū)域及樣點(diǎn)分布圖Fig.1 Locations of study area and sampling sites

1.2 樣品采集及處理

通過(guò)文獻(xiàn)資料和實(shí)地勘察,依據(jù)當(dāng)?shù)氐匦蔚孛病⑺堤卣?共采集6 個(gè)研究區(qū)域的稻田土壤,包括:珠田鄉(xiāng)北(ZTN)、珠田鄉(xiāng)南(ZTS)、上坊鄉(xiāng)東(SFE)、上坊鄉(xiāng)西(SFW)、裴梅鎮(zhèn)東(PME)和裴梅鎮(zhèn)西(PMW)。珠田鄉(xiāng)、上坊鄉(xiāng)和朱田鎮(zhèn)分別位于珠溪河下游、中上游和上游。PMW 為古稻種植區(qū),采用傳統(tǒng)耕作方式,包括施撒有機(jī)肥和人工雜草清理;其他研究區(qū)域多采用現(xiàn)代耕作方式,化肥和農(nóng)藥使用量較大。為了更好地表征農(nóng)田土壤狀況,降低田間水肥管理短暫的影響和干擾,于水稻移栽前(2023 年2 月),在每個(gè)區(qū)域設(shè)置5 個(gè)采樣點(diǎn)(間距＞2 km),每個(gè)采樣點(diǎn)采用梅花法(間距＞20 m)進(jìn)行耕層土壤(0～20 cm)樣品采集,共獲得30 個(gè)混合樣品。土樣低溫運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室,剔除殘留的枯枝落葉和石礫后分裝兩份,一份自然風(fēng)干后用于土壤理化性質(zhì)的測(cè)定,另一份保存在-80 ℃,用于DNA 提取。

1.3 土壤基礎(chǔ)物化參數(shù)測(cè)定

稻田土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)的測(cè)定均采用常規(guī)方法[13]。具體而言,含水量(SM)采用烘干差重法,pH(水土比v∶w=2.5∶1)采用電位法,陽(yáng)離子交換量(CEC)采用乙酸銨交換-蒸餾滴定法,總有機(jī)質(zhì)(OM)采用重鉻酸鉀外加熱法,總氮(TN)和有效氮(AN)采用微量凱氏定氮法,總磷(TP)采用釩鉬黃分光光度法,有效磷(AP)采用聯(lián)合浸提-比色法,有效鉀(AK)采用乙酸銨提取-火焰光度法,金屬元素(Cd、Cr、Pb、Zn、Cu、Hg、Ni 和As)均采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定。

1.4 DNA 提取及高通量測(cè)序及分析

稱(chēng)取保存于-80 ℃冰箱的土壤樣品0.25 g,使用MOBIO 的強(qiáng)力土壤DNA 提取試劑盒(PowerSoil?DNA Isolation Kit)提取土壤微生物總DNA。采用分光光度計(jì)(NanoDrop2000TM;ThermoScientific Inc,West Palm Beach,FL)和瓊脂糖凝膠電泳技術(shù)檢測(cè)DNA 的濃度、純度和完整度。基于熒光定量PCR 技術(shù)測(cè)定16S rRNA 基因豐度(目的基因?yàn)?6S ITS)。此外,將檢測(cè)合格的DNA 樣品于干冰上運(yùn)送至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司,由Illumina Miseq PE300 測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序。選擇通用引物338F (5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)/806R(5′ -GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA 的V3-V4 高變區(qū)。測(cè)序原始序列經(jīng)質(zhì)控、拼接、篩選、去除嵌合體等步驟獲得的有效序列進(jìn)行物種注釋等后續(xù)信息學(xué)分析。而后使用FAPROTAX 程序預(yù)測(cè)了群落的功能潛力[14]。FAPROTAX 是一個(gè)人工構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫(kù),根據(jù)文獻(xiàn)中的培養(yǎng)記錄將原核生物物種(如屬或種)映射到假定的功能。

1.5 數(shù)據(jù)處理

本文相關(guān)數(shù)據(jù)的整理及統(tǒng)計(jì)分析均通過(guò)R 語(yǔ)言(https://www.r-project.org/)完成。使用ggpubur 包(0.4)進(jìn)行單因素方差分析以及Tukey 事后多重比較檢驗(yàn)了組間土壤物化因子及細(xì)菌群落組成差異的顯著性;使用vegan 包進(jìn)行了mantel、PERMONOVA 檢驗(yàn)。基于Bray-Curtis 距離的主坐標(biāo)分析(PCoA),使用Vegan 包展示細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的概況。通過(guò)Mantel 相關(guān)分析探究土壤環(huán)境因子和細(xì)菌群落的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 古稻原產(chǎn)區(qū)土壤物化性質(zhì)分析

為更好地表征稻田土壤物化性質(zhì),測(cè)定分析了土壤粒度、養(yǎng)分以及重金屬元素分布特征(表1)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),相較于其他研究區(qū)域,古稻原產(chǎn)區(qū)(PMW)稻田土壤富含更高含量的TN (2.41 g·kg-1)和更低含量的Zn (64.60 mg·kg-1)。此外,還發(fā)現(xiàn)PMW 的AN(289.57 mg·kg-1)和Cu (57.6 mg·kg-1)含量高于其他研究區(qū)域。對(duì)于威脅當(dāng)?shù)厮景踩N植的重要污染物Cd,含量最高的區(qū)域是普通稻產(chǎn)區(qū)[ZTN (0.27 mg·kg-1)和SFW (0.27 mg·kg-1)]。同時(shí),土壤的其他參數(shù)(pH、CEC、OM、TP、AK、AP、Cr、Pb、Hg、Ni 和As)并未表現(xiàn)出明顯的空間分布差異。

表1 不同研究區(qū)域土壤理化指標(biāo)Table 1 Physicochemical parameters of soil samples from different regions

2.2 古稻原產(chǎn)區(qū)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征

對(duì)研究區(qū)域30 個(gè)土壤DNA 樣品進(jìn)行擴(kuò)增子測(cè)序分析,平均覆蓋度高達(dá)95.25%,表明測(cè)序結(jié)果能夠很好地表征細(xì)菌群落特征。經(jīng)質(zhì)量控制和聚類(lèi)(97%相似性)分析,共劃分出14 767 個(gè)操作類(lèi)單元(OTU),注釋獲得51 個(gè)門(mén)(Phylum)、155 個(gè)綱(Class)、334 個(gè)目(Order)、506 個(gè)科(Family)和891 個(gè)屬(Genus)。研究表明,細(xì)菌豐度(基于16S rDNA 基因拷貝數(shù))及Alpha 多樣性(包括ACE、Chao1、Shannon、Simpson 和PD_whole_tree)均未表現(xiàn)出明顯的空間分布差異(表2)。

表2 不同研究區(qū)域細(xì)菌群落豐度及多樣性Table 2 Bacterial community abundance and diversity of soil samples from different regions

基于OTU 水平對(duì)細(xì)菌群落進(jìn)行主坐標(biāo)分析(PCoA),發(fā)現(xiàn)古稻原產(chǎn)區(qū)(PMW)的5 個(gè)樣點(diǎn)緊密地聚為一簇(圖2a),與其鄰近的是PME 和SFW 組,而ZTN、ZTS 和SFW 則較為分散,在第一軸上多分布于PMW 的左側(cè)。組間差異分析(Adonis)發(fā)現(xiàn)(圖2b),6 個(gè)區(qū)域內(nèi)耕地土壤細(xì)菌群落組成存在顯著差異(R2=0.243,P＜0.001),同時(shí)PMW 細(xì)菌群落具有明顯的特異性,不同于其他研究區(qū)域(P＜0.05)。總體來(lái)看,PME (R2=0.173,P=0.006)和SFW (R2=0.159,P=0.007)與PMW 最為接近,其次是ZTS (R2=0.177,P=0.011),SFE (R2=0.228,P=0.017)和ZTN (R2=0.227,P=0.009)相差最大。組內(nèi)差異分析(基于Bray-curtis 距離)發(fā)現(xiàn)(圖2c),PMW 組內(nèi)差異顯著小于附近普通稻產(chǎn)區(qū)(P＜0.05)。結(jié)合各研究區(qū)域的分布特征(圖1),空間距離可能是影響細(xì)菌群落演替的重要因素。

圖2 不同研究區(qū)域水稻土細(xì)菌群落的基于OTU 水平的主坐標(biāo)分析(a)、基于Adonis 的研究組間差異分析(b)和基于Bray-curtis 距離的組內(nèi)差異分析(c)Fig.2 Ordination of paddy soil bacterial communities via principal coordinate analysis (PCoA) at the OTU level (a),analysis of inter-groups differences of paddy soil bacterial communities based on Adonis (b),and analysis of intra-groups differences of soil bacterial communities based on Bray-curtis distances (c) in different regions

研究區(qū)域內(nèi)的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門(mén)(＞1%)共有13 個(gè)(圖3),包括變形菌門(mén)(Proteobacteria,22.17%)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi,19.31%)、酸桿菌 門(mén)(Acidobacteriota,16.95%)、放線菌門(mén)(Actinobacteriota,13.46%)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes,4.60%)、粘菌門(mén)(Myxococcota,3.20%)、脫硫桿菌門(mén)(Desulfobacterota,2.95%)、硝化螺旋菌門(mén)(Nitrospirota,2.63%)、浮霉菌門(mén)(Planctomycetota,2.14%)、擬桿菌 門(mén)(Bacteroidota,2.13%)、芽單胞 菌門(mén) (Gemmatimonadota,1.34%)、Methylomirabilota(1.14%)和藍(lán)細(xì)菌門(mén)(Cyanobacteria,1.13%)。古稻原產(chǎn)區(qū)(PMW)富集了更多的厚壁菌門(mén)(5.80%)和擬桿菌門(mén)(2.98%);同時(shí)表現(xiàn)出更低相對(duì)豐度的酸桿菌門(mén)(13.83%)和硝化螺旋菌門(mén)(2.24%) (P＜0.05)。此外,對(duì)于25 個(gè)優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬(＞1%),相較于其他研究區(qū)域,PMW 表現(xiàn)出更高相對(duì)豐度的黃色桿菌科未分類(lèi)屬(Xanthobacteraceae_unclassified,3.44%)、康奈斯氏桿菌屬(Conexibacter,1.79%)和甲基孢囊菌屬(Methylocystis,1.83%);以及更低豐度的酸桿菌目未分類(lèi)屬(Acidobacteriales_norank,3.09%)、Thermodesulfovibrionia_norank (1.37%)、Candidatus_Solibacter(0.08%)、Bryobacter(0.88%)和全噬菌綱未分類(lèi)屬(Holophagae_Subgroup_7_norank,0.88%),但差異性均不顯著。

圖3 不同研究區(qū)域水稻土壤優(yōu)勢(shì)(＞1%)細(xì)菌門(mén)(a)和屬(b)水平的相對(duì)豐度Fig.3 Relative abundances of soil bacterial communities of paddy in different regions at dominant (＞1%) phylum (a) and genus (b)levels in different regions

2.3 古稻原產(chǎn)區(qū)細(xì)菌群落功能潛力分析

為進(jìn)一步獲取細(xì)菌群落的功能信息,通過(guò)FAPROTAX 對(duì)菌群進(jìn)行功能預(yù)測(cè)(圖4)。共獲得61項(xiàng)功能分組,其中與化能異養(yǎng)、好氧化能異養(yǎng)和固氮作用相關(guān)基因信息占比最高,分別為26.23%、20.73%和7.58%。相較而言,古稻原產(chǎn)區(qū)(PMW)稻田土壤細(xì)菌類(lèi)群表現(xiàn)出更強(qiáng)的碳(C)代謝潛力,包括甲醇氧化、發(fā)酵、纖維素分解(Cellulolysis)、甲烷營(yíng)養(yǎng)、碳?xì)浠衔锝到夂图谆鶢I(yíng)養(yǎng)代謝。同時(shí),PMW 相較于其他研究區(qū)域還具有更低的N 和S 代謝潛力,包括反硝化作用、N2O 反硝化、亞硝酸鹽脫氮、硝酸鹽脫氮、亞硝酸鹽呼吸、硝酸鹽呼吸和氮呼吸,以及光合自養(yǎng)硫氧化和暗硫化物氧化作用。此外,PMW 稻田土壤細(xì)菌類(lèi)群還表現(xiàn)出更低的延胡索酸呼吸和不產(chǎn)氧的光能自養(yǎng)能力。值得注意的是,關(guān)于人類(lèi)疾病的微生物功能基因類(lèi)群在PMW 也表現(xiàn)出極低的豐度,包括人類(lèi)腸道炎癥、人類(lèi)腹瀉、人類(lèi)病原體肺炎和人類(lèi)病原體。

圖4 不同研究區(qū)稻田土壤微生物菌群預(yù)測(cè)功能分組Fig.4 Functional prediction of the microbial flora in paddy soils of different regions

2.4 影響稻田土壤細(xì)菌群落的關(guān)鍵環(huán)境因素分析

Mantel 分析結(jié)果(圖5)表明,細(xì)菌群落主要是受空間距離(r=0.18)、pH (r=0.35)、CEC (r=0.39)、OM(r=0.14)、TN (r=0.24)、TP (r=0.14)、AK (r=0.18)、AP (r=0.14)和金屬Ni (r=0.21)的影響(P＜0.01)。功能潛力主要與空間距離(r=0.35)、pH (r=0.14)、TN(r=0.17)、TP (r=0.21)、AK (r=0.19)、AP (r=0.14)、Cd (r=0.19)、Cu (r=0.24)、Hg (r=0.21)、Ni (r=0.25)有極顯著相關(guān)性(P＜0.01)。此外,細(xì)菌Alpha 多樣性(Shannon指數(shù))與空間距離(r=0.22)、TP (r=0.18)、AK (r=0.14)、AP (r=0.27)、Cd (r=0.23)、Cu (r=0.20)和Ni (r=0.27)呈極顯著相關(guān)性(P＜0.01);細(xì)菌豐度僅與OM (r=0.32)、TN (r=0.22)、TP (r=0.18)、AK (r=0.33)和Cu (r=-0.14)呈極顯著相關(guān)(P＜0.01)。

圖5 稻田土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、功能與土壤性質(zhì)的關(guān)系Fig.5 Relationship between bacterial communities,function and soil properties of paddy soil

3 討論

3.1 稻田土壤基礎(chǔ)物化性質(zhì)

本研究所涉及的稻田土壤均位于萬(wàn)年縣縣城周邊,隸屬于珠溪河(樂(lè)安河一級(jí)支流)流域,周邊山丘環(huán)繞,形成了一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)(圖1)。調(diào)查發(fā)現(xiàn),該區(qū)域稻田土壤總體理化性質(zhì)較為接近,包括pH、CEC、OM、TN、TP、AK、AP、Cr、Pb、Hg、Ni 和As 含量均未表現(xiàn)出明顯的空間分布差異(表1)。同時(shí),本研究是在基肥施撒前進(jìn)行的土壤樣品采集,受速效肥施撒的影響較小。古稻原產(chǎn)區(qū)(PMW)稻田土壤AN 和Cu 的含量較其他區(qū)域更為豐富。AN 被認(rèn)為是影響水稻生長(zhǎng)的關(guān)鍵性營(yíng)養(yǎng)元素,而施撒有機(jī)肥有利于保持土壤肥力,減少土壤N流失[15],更適合擁有較長(zhǎng)生長(zhǎng)周期的古稻生長(zhǎng)。古稻原產(chǎn)區(qū)(PMW)土壤被認(rèn)為富含各種礦質(zhì)元素[3],本研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)Cu 元素在古稻生長(zhǎng)區(qū)的廣泛富集。Cu 同樣是植物必需的微量元素,但過(guò)量的Cu 會(huì)對(duì)大多數(shù)生物產(chǎn)生毒性作用[16],因此關(guān)注Cu 對(duì)古稻生長(zhǎng)的影響是未來(lái)的一個(gè)研究方向。此外,研究還表明,Cd 作為我國(guó)南方稻田土壤的一種重要重金屬污染物[17],在珠田北(ZTN)和上坊西(SFW)地區(qū)含量較高,這可能與當(dāng)?shù)馗弑尘爸岛偷V物開(kāi)采工作有關(guān)。施撒鋅肥(主要成分是ZnSO4)被認(rèn)為是降低水稻吸收Cd 的重要農(nóng)業(yè)措施[18],這可能是導(dǎo)致SFW 稻田土壤含有更高含量Zn 的原因。

3.2 古稻原產(chǎn)區(qū)稻田土壤細(xì)菌群落和功能特征

微生物作為地下土壤物質(zhì)循環(huán)過(guò)程的主要參與者,其生物量和多樣性能夠表征生態(tài)系統(tǒng)的多功能性[19]。本研究發(fā)現(xiàn),細(xì)菌豐度及Alpha 多樣性均未表現(xiàn)出明顯的空間分布差異(表2),這可能意味著整個(gè)研究區(qū)內(nèi)細(xì)菌驅(qū)動(dòng)的物質(zhì)循環(huán)速率并未表現(xiàn)出巨大差異。然而,與其鄰近區(qū)域相比,古稻原產(chǎn)區(qū)(PMW)細(xì)菌群落組成表現(xiàn)出了一定的特異性,且組內(nèi)空間異質(zhì)性較低(圖2),表明古稻原產(chǎn)區(qū)微生態(tài)環(huán)境較為獨(dú)特。從細(xì)菌群落組成上來(lái)看,與鄰近區(qū)域相比,古稻原產(chǎn)區(qū)包含更高豐度的厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén),而酸桿菌門(mén)和硝化螺旋菌門(mén)的相對(duì)豐度偏低。有研究發(fā)現(xiàn),厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)在植物體分解中發(fā)揮核心作用,其中厚壁菌門(mén)主要參與木質(zhì)纖維素和半纖維素的降解,而擬桿菌門(mén)則是纖維素和木質(zhì)素降解的關(guān)鍵微生物類(lèi)群[20]。因此,古稻原產(chǎn)區(qū)包含豐富的厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén)意味著該區(qū)域微生物具有較強(qiáng)的有機(jī)質(zhì)分解能力。同時(shí),隸屬于厚壁菌門(mén)的部分微生物類(lèi)群還能夠與水稻形成穩(wěn)定的共生關(guān)系,促進(jìn)水稻的生長(zhǎng)發(fā)育[21]。而酸桿菌門(mén)[22]和硝化螺旋菌門(mén)被認(rèn)為在營(yíng)養(yǎng)循環(huán)(N)中發(fā)揮著重要作用,這意味著古稻原產(chǎn)區(qū)鄰近區(qū)域可能也進(jìn)行著較強(qiáng)的其他物化循環(huán)過(guò)程。此外,本研究還發(fā)現(xiàn),一些屬于變形菌門(mén)(如Xanthobacteraceae_unclassified、Methylocystis)和放線菌門(mén)(Conexibacter)的屬也在古稻原產(chǎn)區(qū)大量富集。其中Methylocystis 被認(rèn)為是參與甲烷代謝的關(guān)鍵類(lèi)群[23],Conexibacter 可以利用林可霉素抗生素從而減少其對(duì)其他生物類(lèi)群的抑制作用[24]。以上結(jié)果表明古稻原產(chǎn)區(qū)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的特異性主要體現(xiàn)在組成上,同時(shí)可能驅(qū)動(dòng)著差異化的物質(zhì)循環(huán)過(guò)程。

細(xì)菌群落的組成變化往往能夠反映到功能特征上。基于FAPROTAX 進(jìn)行的功能預(yù)測(cè)分析發(fā)現(xiàn),古稻原產(chǎn)區(qū)稻田土壤細(xì)菌群落具有較強(qiáng)的C 代謝遺傳潛力,例如有機(jī)質(zhì)降解(發(fā)酵、纖維素分解等)和甲烷代謝等(圖4),這可能是受古稻原產(chǎn)區(qū)特殊的微地形和種植模式的雙重影響。有報(bào)道認(rèn)為古稻生長(zhǎng)在山垅之中,灌溉用的山泉中攜帶著大量的枯枝落葉及其分解物,為萬(wàn)年貢谷的生長(zhǎng)提供充足的有機(jī)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[25]。同時(shí),古稻具有較長(zhǎng)的生長(zhǎng)周期(160～175 d),有機(jī)肥作為一種緩釋肥能夠很好地保障稻谷生長(zhǎng)需求,這種健康的水肥管理措施能夠激發(fā)微生物更加傾向于分解有機(jī)質(zhì)為作物提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[26]。有研究發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期施用有機(jī)肥同樣可顯著提高土壤微生物量和酶活性,促進(jìn)土壤有機(jī)碳和有機(jī)氮的協(xié)同利用,對(duì)提高土壤肥力具有重要作用[27-28]。而對(duì)于鄰近的其他研究區(qū)域,則表現(xiàn)出較強(qiáng)的N 和S 代謝潛力。有研究發(fā)現(xiàn),長(zhǎng)期施肥在增加土壤肥力的同時(shí)往往會(huì)改變稻田土壤微生物的群落組成,如增加酸桿菌門(mén)和硝化螺旋菌門(mén)的豐度[29],與本研究類(lèi)似,而這些菌群往往是參與N 和S 循環(huán)的重要微生物類(lèi)群。此外,施撒的無(wú)機(jī)肥多是一些速效營(yíng)養(yǎng)元素,這些元素含量在施肥時(shí)瞬時(shí)放大,水稻難以及時(shí)有效利用,這些營(yíng)養(yǎng)底物會(huì)誘導(dǎo)微生物的礦化[30]。在本研究中,附近區(qū)域的各種氮呼吸途徑(亞硝酸鹽脫氮、硝酸鹽脫氮、亞硝酸鹽呼吸、硝酸鹽呼吸和氮呼吸等)均會(huì)被增強(qiáng)。值得注意的是,古稻原產(chǎn)區(qū)稻田土壤中關(guān)于人類(lèi)疾病的基因(如人類(lèi)腸道炎癥、人類(lèi)腹瀉、人類(lèi)病原體肺炎和人類(lèi)病原體)豐度較低,這進(jìn)一步說(shuō)明了該區(qū)域土壤更加健康,受人類(lèi)污染影響較小。

3.3 驅(qū)動(dòng)稻田土壤細(xì)菌群落變化的環(huán)境因子

細(xì)菌群落及其生物地理模式的研究可以深入了解其多樣性和生態(tài)系統(tǒng)功能的深層生態(tài)過(guò)程和機(jī)制[31]。近期的研究發(fā)現(xiàn),生物群落在組成上的相似性受空間距離的影響存在不確定性[32]。同時(shí),在較小尺度上關(guān)于人為干擾較嚴(yán)重的農(nóng)田土壤的研究更為匱乏。本研究發(fā)現(xiàn),細(xì)菌群落組成、功能和多樣性均受彼此空間距離的影響(圖2 和圖5),這除了當(dāng)?shù)厥艽笊车挠绊?還可能會(huì)受具體農(nóng)田管理措施的影響。各樣點(diǎn)稻田隸屬于不同的耕作者,多處于不同的管理方式下,這在一定程度上也會(huì)影響細(xì)菌群落變化[33]。我們的研究表明,古稻原產(chǎn)區(qū)及其鄰近區(qū)域稻田土壤細(xì)菌群落組成除了受OM、TN、TP、AK和AP 等養(yǎng)分的影響,還受到pH 的重要影響。pH 被認(rèn)為是影響我國(guó)稻田土壤微生物大尺度上空間分布的重要土壤因子[34]。本研究進(jìn)一步表明,即使在小尺度上(地方河流水系),pH 依然是影響細(xì)菌群落組成的重要因素。此外,土壤調(diào)酸作為我國(guó)南方稻田土壤改良的一種重要手段,其帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境變化未來(lái)還需要進(jìn)一步的研究論證[35]。除了土壤pH 和各種養(yǎng)分,我們還發(fā)現(xiàn)重金屬(如Cd、Cu、Hg、Ni)元素也是影響細(xì)菌群落(組成、功能、多樣性或豐度)的重要土壤因子。一般認(rèn)為,低濃度的重金屬可以促進(jìn)作物的生長(zhǎng),而過(guò)量對(duì)任何生命體則是有害且致命的。近期的研究發(fā)現(xiàn),重金屬含量的輕微變化都可能導(dǎo)致群落組成和微生物多樣性的劇烈變化[36]。因此,未來(lái)還需要進(jìn)一步了解重金屬環(huán)境下的微生物的響應(yīng)策略,探索特定功能微生物類(lèi)群對(duì)重金屬的抗性及其與植物的互作關(guān)系。

4 結(jié)論

本研究探索了萬(wàn)年古稻原產(chǎn)區(qū)土壤理化性質(zhì)及細(xì)菌群落的特異性。結(jié)果表明,受當(dāng)?shù)氐匦巍⑺档挠绊?古稻原產(chǎn)區(qū)土壤僅AN 和Cu 較周邊區(qū)域含量更高。細(xì)菌群落組成(而不是豐度和多樣性)在古稻原產(chǎn)區(qū)表現(xiàn)出一定的特異性,相較于其他研究區(qū)域,表現(xiàn)出更高相對(duì)豐度的厚壁菌門(mén)和擬桿菌門(mén),以及更低相對(duì)豐度的酸桿菌門(mén)和硝化螺旋菌門(mén)。此外,受古稻原產(chǎn)區(qū)長(zhǎng)期健康水肥管理措施的影響,細(xì)菌群落表現(xiàn)出較強(qiáng)的C 代謝和較弱的N、S 代謝遺傳潛力。總體而言,本研究初步解析了萬(wàn)年古稻原產(chǎn)區(qū)獨(dú)特的土壤環(huán)境特征。未來(lái)應(yīng)逐步推廣施撒有機(jī)肥等緩釋肥,同時(shí)關(guān)注重金屬(如Cd、Cu、Hg、Ni)含量變化對(duì)當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境造成的潛在影響。