摘要：土壤环境中的微生物群落是多样化的，它们不断地推动着土壤生态系统进程，在土壤物质循环过程中起着不可代替的作用。冻融作用是一种由季节或昼夜温度变化所造成的土壤冻结和解冻的反复过程，是高纬度地区的一种常见现象。冻融作用可以使土壤结构和物质发生明显的变化，例如，冻融作
单位：1.内蒙古科技大学能源与环境学院；2.内蒙古自治区矿区生态环境评价与修复工程研究中心；3.上海第二工业大学资源与环境工程学院
简介：杨彤，女，河北石家庄人，硕士研究生，研究方向：矿区周边土壤修复。*通信作者，教授，博士，硕士生导师，从事矿区生态环境评价与修复研究。
基金项目：国家自然科学基金项目（52264013）；内蒙古自治区直属高校基本科研业务费项目（2023CXPT004）。
来源：《安徽农业科学》2024年24期
引文格式：杨彤,段耀庭,刘永奇,等.冻融循环对土壤细菌群落结构和代谢功能的影响[J].安徽农业科学,2024,52(24):62-66,102.
OSID开放科学计划
长按识别论文专属二维码，听作者讲述论文写作背景，与同行交流心得体会。
土壤环境中的微生物群落是多样化的，它们不断地推动着土壤生态系统进程，在土壤物质循环过程中起着不可代替的作用。冻融作用是一种由季节或昼夜温度变化所造成的土壤冻结和解冻的反复过程，是高纬度地区的一种常见现象。冻融作用可以使土壤结构和物质发生明显的变化，例如，冻融作用可以降低土壤团聚体的稳定性，土壤孔隙度也会增大，同时也会促使重金属形态变化。21世纪初，美国五大湖地区根据全球194个国家气象站的数据总结发现，1951—2000年，由于全球变暖导致冬季积雪减少，平均气温升高了1.5℃，土壤温度也降低。积雪减少导致的积雪隔热性的降低，会降低土壤温度改变冻融循环的频率和强度，并改变土壤每年被冻结的天数。土壤微生物群落结构和活动均受生物和非生物因素所控制，全球冻融格局的变化势必会使土壤微生物群落结构和功能发生变化。然而目前关于冻融循环作用对土壤细菌群落代谢功能影响的研究比较匮乏。
目前常见的高通量测序技术是探究微生物群落系统发育和结构组成的有力工具，但无法对微生物群落代谢潜力进行分析。PICRUSt算法通过16SrRNA基因序列将操作分类单元（OTU）与基因含量联系起来，在肠道菌群功能预测方面有一定优势；但是当微生物群落中含有未充分表征的分类时，这种分析方法可能会出现问题。Tax4Fun是一种基于16S的细菌群落功能预测分析工具。与PICRUSt相比，Tax4Fun的功能预测与宏基因组图谱具有更高的相关性。
目的
探究冻融循环对土壤细菌群落多样性、组成以及潜在代谢功能的影响，为研究北方季节性冻融极端条件下土壤细菌群落的变化提供理论依据。
方法
将采集的土壤进行不同冻融循环处理，通过高通量测序技术和Tax4Fun功能预测分析细菌群落多样性和潜在代谢功能的变化。对试验土壤进行不同冻融处理：对照组（CK），5 °C保存；处理1（C1），2个冻融周期；处理2（C2），6个冻融周期；处理3（C3），8个冻融周期。
结果
◆土壤理化性质
经过不同处理的土壤基本理化性质如表1所示。各处理组的含水率均显著高于CK组，C1、C2、C3处理组较CK组分别提高了9.41%、17.43%和20.88%，C3组含水率最高。CK样本的pH最大，经过冻融循环后土壤的pH有所降低，C1、C2、C3处理组分别降低了0.06、0.07和0.15。冻融循环对土壤有机质含量的影响最大，土壤有机质含量明显提高，C1、C2、C3处理组较CK组分别提高了82.77%、23.84%和13.93%，C1组有机质含量最高。
◆土壤细菌群落多样性
维恩图可以清晰地看出不同冻融循环次数下土壤细菌群落组成的相似性及重叠情况（图1）。从图1可以看出，所有处理中共有的OTU种类为1385种，占总OTU数的87.40%。对照组CK中有2种独特的OTU，而C1、C2、C3中分别有2、1、3种特有的OTU种类。此外，4个处理中，C2含有最多的OTU种类（1513个），C3中最少（1511个）。
图1 试验土壤细菌群落维恩图
同时该研究进行了不同冻融循环次数下土壤细菌群落Alpha多样性指数分析，结果发现（表2），所有处理组别土壤细菌的覆盖度均在99%以上。CK中Shannon-Wiener指数最高，经过8次冻融循环（C3）后Shannon-Wiener指数最低，Simpson指数随着冻融循环次数的增加而增加，这表明随着冻融循环次数的增加土壤细菌群落多样性逐渐降低。
◆土壤细菌群落结构组成
不同冻融循环次数下门水平的土壤细菌群落组成结构如图2所示。4个组别中物种丰富度最高的菌门是放线菌门（Actinobacteria），它在CK、C1、C2、C3处理中占比分别为30.71%、30.91%、32.75%和33.89%，随着冻融次数增加在土壤中的占比增大。第二大优势门类是变形菌门（Proteobacteria），经过2次冻融循环（C1）相对丰度达到最低，随后逐渐增加，经过8次冻融循环（C3）土壤中变形菌的占比达到最高，较C1组占比增加了11.13%。酸杆菌门（Acidobacteria）是第三大优势菌门，经过2次冻融循环（C1）相对丰度达到最高，随后逐渐降低。其他优势细菌门包括绿弯菌门（Chloroflexi，8.87%~11.06%）、拟杆菌门（Bacteroidetes，4.45%~5.33%）、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes，1.90%~2.40%）、硝化螺旋菌门（Nitrospirae，1.66%~2.00%）、浮霉菌门（Planctomycetes，0.95%~1.31%）和厚壁菌门（Firmicutes，0.81%~1.08%）。其中拟杆菌门、芽单胞菌门、硝化螺旋菌门和厚壁菌门的相对丰度在冻融循环过程中呈先减后增的趋势。此外，浮霉菌门相对丰度的变化趋势则随着冻融循环次数的增加呈下降趋势，在C3中相对丰度最低。
图2 不同冻融循环次数下门水平的土壤细菌群落组成结构
基于Bray-Curtis相似性指数的层次聚类热图显示了4个不同处理样品的前10个细菌属之间的层次关系（图3）。结果表明，CK与C1相关，C2与C3相关。这说明多次冻融循环使得土壤细菌群落结构发生了变化。4个处理（CK、C1、C2、C3）中最具代表性的菌属是Subgroup_6，相对丰度分别为7.31%、9.46%、7.99%和6.03%；其次是假节杆菌属（Pseudarthrobacter），相对丰度分别为5.56%、5.81%、6.35%和6.88%。其他优势菌属分别是芽球菌属（Blastococcus）、斯科曼氏球菌属（Skermanella）、KD4-96、冢村氏菌属（Nakamurella）、小月菌属（Microlunatus）、硝化螺菌属（Nitrospira）和类诺卡氏菌属（Nocardioides）。
图3 不同处理样品的层次聚类热图
◆土壤菌群功能的预测
通过对不同处理土壤样品中的细菌功能进行预测，结果发现（图4），试验土壤中总共发现了277种功能途径，关于新陈代谢（Metabolism）的功能途径占所有功能的64.60%～65.20%，关于细胞进程（Cellular processes）、人类疾病（Human diseases）和环境信息处理（Environmental information processing）方面的基因丰度随着冻融次数的增多而降低；能量代谢（Energy metabolism）基因丰度先降低后增加；新陈代谢功能中最丰富的类别是碳水化合物代谢（Carbohydrate metabolism）。经过8次冻融循环后，土壤细菌群落的能量代谢功能（Energy metabolism）、糖合成和代谢功能（Glycan biosynthesis and metabolism）明显降低，其中细菌群落能量代谢功能变化更为显著，冻融后的3个处理组分别较CK组降低了0.67%、0.40%和0.27%。有关于次生代谢物的生物合成功能（Biosynthetic function of other secondary metabolites）变化不明显，而其余代谢功能相对丰度均有所提高，包括氨基酸代谢（Amino acid metabolism）和脂类代谢（Lipid metabolism）等，其中，异源物质生物降解和代谢功能（Xenobiotics biodegradation and metabolism）C1、C2、C3处理组较CK组分别提高了2.43%、2.03%和1.01%。
注：A.Carbohydrate metabolism;B.Lipid metabolism;C.Metabolism of cofactors and vitamins;D.Energy metabolism;E.Nucleotide metabolism;F.Biosynthesis of other secondary metabolites;G.Amino acid metabolism;H.Metabolism of terpenoids and polyketides;I.Xenobiotics biodegradation and metabolism;J.Metabolism of other amino acids;K.Glycan biosynthesis and metabolism。
图4 Tax4Fun预测的细菌功能类型（a）以及处理组与对照组新陈代谢功能差异（b）
◆土壤细菌群落结构与环境因子冗余分析
土壤理化性质与土壤菌群结构在门水平上的冗余分析（图5）显示，pH对细菌群落结构的影响最大。第一优势菌门放线菌门（Actinobacteria）与土壤的pH和有机质含量呈正相关，但与含水率呈负相关。然而，变形菌门（Proteobacteria）与pH和有机质含量呈负相关，与含水率呈正相关。此外，酸杆菌门（Acidobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）与土壤的pH和含水率呈正相关，与有机质含量呈负相关。
图5 土壤细菌群落与环境因子冗余分析
结论
pH是影响冻融条件下土壤细菌群落最关键的因素，冻融循环次数的增加促使土壤理化性质发生改变，细菌群落多样性逐渐降低。细菌群落的优势物种的相对丰度随着冻融循环次数增加会发生变化，但优势物种类别不发生变化。除此之外，冻融环境对细菌细胞活动有遏制作用，冻融循环次数增加不仅会改变细菌群落结构，还会影响其代谢过程，其中冻融后的3个处理组（C1、C2、C3）细菌群落能量代谢功能分别降低了0.67%、0.40%和0.27%，异源物质生物降解和代谢功能分别提高了2.43%、2.03%和1.01%。该研究为探究北方季节性冻融极端环境下土壤微生物群落代谢能力奠定理论基础。
更多推荐论文
论文推荐｜小麦返青期白叶性状的转录组学分析
论文推荐｜土壤中微塑料污染及处理技术综述
论文推荐｜瓜菜自动嫁接机的设计
论文推荐｜基于“三生”空间的岩溶山地农村居民点发展势能测度
论文推荐｜果生刺盘孢菌LFD-RPA可视化快速检测方法的建立
论文推荐｜无人机遥感技术在智慧农业中的应用研究进展
论文推荐｜种植方式对优质籼稻产量和经济效益的影响
论文推荐｜以村民需求为导向的乡村景观改造实践研究
论文推荐｜不同施肥调控措施对设施番茄产量·养分利用及品质的影响
论文推荐｜绿豆-谷子轮作模式的产量与经济效益研究
采编：小白
排版：小同
来源：安徽农业科学