作物杂志,2022, 第5期: 221–228 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2022.05.032

• 生理生化·植物营养·栽培耕作 • 上一篇    下一篇

基于高通量测序技术研究栽培苍术根际土壤微生物变化

徐燕1(), 牛俊峰1, 陈利军1, 王世强1, 董忠民1,2, 王喆之1()   

  1. 1西北濒危药材资源开发国家工程实验室,710119,中国陕西西安
    2圣玛丽大学生物系,B3H3C3,加拿大新斯科舍哈利法克斯
  • 收稿日期:2021-07-20 修回日期:2022-06-17 出版日期:2022-10-15 发布日期:2022-10-19
  • 通讯作者: 王喆之,主要从事药用资源及生物技术方向的研究,E-mail:zzwang@snnu.edu.cn
  • 作者简介:徐燕,主要从事中药资源研究,E-mail: xuyan0530@snnu.edu.cn
  • 基金资助:
    陕西省科技厅项目(2020LSFP2-19)

Study of Rhizosphere Soil Microbial Changes of Atractylodes lancea Based on High-Throughput Sequencing

Xu Yan1(), Niu Junfeng1, Chen Lijun1, Wang Shiqiang1, Dong Zhongmin1,2, Wang Zhezhi1()   

  1. 1National Engineering Laboratory for the Development of Endangered Medicinal Materials in Northwest China, Xiʼan 710119, Shaanxi, China
    2Department of Biology, Saint Maryʼs University, Halifax B3H3C3, Nova Scotia, Canada
  • Received:2021-07-20 Revised:2022-06-17 Online:2022-10-15 Published:2022-10-19

摘要:

苍术为多年生草本植物,传统的种植方式是连续多年在同一地块种植,这往往导致其生长发育受阻和土传病害的发生,根际微生物被认为是植物的第二基因组,对植物的生长发育具有重要作用。为分析栽培苍术对根际土壤微生物的影响,探讨苍术病害发生与微生物变化间的关系,以陕西省柞水县下梁镇种植过3年苍术的根际土壤,以及从未种植过苍术地块的土壤为试验材料,利用高通量测序方法对微生物群落进行扩增子测序分析。结果表明,栽培3年后,苍术根际土壤细菌和真菌结构发生变化,细菌群落多样性和丰富度下降,真菌群落多样性下降、丰富度上升,变形菌门、放线菌门和酸杆菌门是细菌中的优势菌群,子囊菌门、被孢霉门、担子菌门是真菌中的优势菌群。栽培3年后,苍术的根际土壤微生物呈有益菌下降、病害菌增加的趋势。

关键词: 高通量测序, 苍术, 土壤微生物, 变化

Abstract:

Atractylodes lancea is a perennial herb, and the traditional planting method is to plant in the same plot for several years, which leads to the obstruction of its growth and development and the occurrence of soil borne diseases. Rhizosphere microorganisms are considered as the second genome of plants and play an important role in plant growth and development. In order to analyze the influence of cultivated A.lancea on rhizosphere soil microorganisms and explore the relationship between the occurrence of A.lancea disease and microbial changes, taking the rhizosphere soil planted with A.lancea for three years in Xialiang town, Zhashui county, Shaanxi province and the soil which has never been planted with A.lancea as experimental materials, the microbial community was sequenced by high-throughput sequencing method. The findings revealed that after three years of cultivation, the bacteria and fungal communities in the rhizosphere soil of A.lancea changed in composition, with the fungal communityʼs diversity and richness increasing. The dominant bacterial groups were Proteobacteria, Actinobacteria and Acidobacteria, while the predominant fungal groups were Ascomycota, Mortierellomycota and Basidiomycota. After three years of cultivation, the rhizosphere soil microorganisms of A.lancea showed an overall trend of beneficial bacteria decreasing and disease bacteria increasing.

Key words: High-throughput sequencing, Atractylodes lancea, Soil microorganism, Change

图1

种植苍术前后土壤细菌及真菌的稀释曲线

图2

种植苍术前后土壤细菌及真菌的韦恩图

表1

细菌和真菌的Alpha多样性指数表

微生物Microbe 组名Group name 观察到的种类Observed species Shannon 辛普森指数Simpson Chao1指数Chao1 Ace指数Ace
细菌Bacteria ZX3 1969.33 8.82 0.993479 2103.02 2135.13
ZXCK 2160.00 9.12 0.994796 2312.60 2323.52
真菌Fungi ZX3 1175.00 6.25 0.944552 1272.30 1237.16
ZXCK 1158.33 6.16 0.934756 1281.40 1237.32

图3

种植苍术前后土壤细菌物种门分布

图4

种植苍术前后土壤真菌物种门分布

图5

种植苍术前后土壤细菌物种差异分析 P < 0.05为差异显著,P < 0.01为差异极显著,下同

图6

种植苍术前后土壤真菌差异物种分析

图7

种植苍术前后土壤细菌优势属分析

图8

种植苍术前后土壤细菌优势属的聚类热图

图9

种植苍术前后土壤真菌优势属分析

图10

种植苍术前后土壤真菌优势属的聚类热图

[1] 国家药典委员会. 中华人民共和国药典:一部. 北京: 中国医药科技出版社, 2015.
[2] 容路生, 姜大成. 北苍术繁育技术研究进展. 特种经济动植物, 2021, 24(3):36-38.
[3] 陈敏, 黄璐琦, 郭兰萍, 等. 苍术化感作用研究. 全国第二届中药资源生态学学术研讨会, 2006.
[4] 周芳, 曹国璠. 药用植物连作障碍机制及其缓解措施研究进展. 山地农业生物学报, 2019, 38(3):67-72.
[5] 葛昕欣. 苍术叶斑病病原学及其防治基础研究. 沈阳:沈阳农业大学, 2016.
[6] 章家恩, 蔡燕飞, 高爱霞, 等. 土壤微生物多样性实验研究方法概述. 土壤, 2004, 36(4):346-350.
[7] 金明. 土壤微生物多样性分析方法的研究进展. 农业技术与装备, 2016(4):18-20.
[8] 李桂澜, 匡华. 高通量测序技术在食品微生物检测中的应用. 食品安全质量检测学报, 2019, 10(15):5091-5097.
[9] Aßhauer K P, Bernd W, Rolf D. Tax4Fun:predicting functional profiles from metagenomic 16S rRNA data. Bioinformatics, 2015, 31(17):2882-2884.
doi: 10.1093/bioinformatics/btv287
[10] Martin M. Cutadapt removes adapter sequences from high-throughput sequencing reads. EMBnet Journal, 2011, 17(1):121-125.
[11] Haas B J, Gevers D, Earl A M. Chimeric 16S rRNA sequence formation and detection in Sanger and 454-pyrosequenced PCR amplicons. Genome Research, 2011, 21(3):494-504.
doi: 10.1101/gr.112730.110 pmid: 21212162
[12] Edgar R C. highly accurate OTU sequences from microbial amplicon reads. Nature Methods, 2013, 10(10):996-998.
doi: 10.1038/nmeth.2604
[13] Wang Q. Naive Bayesian classifier for rapid assignment of rRNA sequences into the new bacterial taxonomy. Applied and Environmental Microbiology, 2007, 73(16):5261-5267.
doi: 10.1128/AEM.00062-07 pmid: 17586664
[14] Quast C, Pruesse E, Yilmaz P. The SILVA ribosomal RNA gene database project:improved data processing and web-based tools. Nucleic Acids Research, 2013, 41:590-596.
[15] Bennett A J, Bending G D, Chindler C. Meeting the demand for crop production: the challenge of yield decline in crops grown in short rotations. Biological Reviews of the Cambridge Philosophical Society, 2012, 87(1):52-71.
[16] 简在友, 王文全, 孟丽, 等. 人参属药用植物连作障碍研究进展. 中国现代中药, 2008, 10(6):3-5.
[17] Wang X. Study on Continuous Cropping Obstacle and Control Strategy of Medicinal Plants. Hohhot,Inner Mongolia,China: International Conference on Economics, 2017.
[18] Jacek K, Jan K E. Response of the bacterial community to root exudates in soil polluted with heavy metals assessed by molecular and cultural approaches. Soil Biology and Biochemistry, 2000, 32(10):1405-1417.
doi: 10.1016/S0038-0717(00)00058-4
[19] Berg G, Köberl M, Rybakova D. Plant microbial diversity is suggested as the key to future biocontrol and health trends. FEMS Microbiology Ecology, 2017, 93(5):fix050.
[20] Garbeva P, Veen J V, Elsas J V. Microbial diversity in soil:selection of microbial populations by plant and soil type and implications for disease suppressiveness. Annual Review of Phytopathology, 2004, 42:243-270.
pmid: 15283667
[21] Souto X C, Pellissier F. Feedback mechanism in the chemical ecology of plants:role of soil microorganisms. Massachusetts:Birkhäuser Basel, 2002:89-97.
[22] 郭兰萍, 黄璐琦. 苍术根茎及根际土水提物生物活性研究及化感物质的鉴定. 生态学报, 2006(2):528-535.
[23] 丁凯, 张毓婷, 张俊红, 等. 不同密度杉木林对林下植被和土壤微生物群落结构的影响. 植物生态学报, 2021, 45(1):62-73.
[24] 胡江春, 王书锦. 大豆连作障碍研究Ⅰ. 大豆连作土壤紫青霉菌的毒素作用研究. 应用生态学报, 1996(4):396-400.
[25] 段靖禹, 李华, 马学文, 等. 青霉菌与生物炭复合修复土壤砷污染的研究. 环境科学学报, 2019, 39(6):1999-2005.
[26] Probst C M, Ridgway H J, Jaspers M V. Pathogenicity of Ilyonectria liriodendri and Dactylonectria macrodidyma propagules in grapevines. European Journal of Plant Pathology, 2019, 154:405-421.
doi: 10.1007/s10658-018-01664-0
[27] Agustí-Brisach C, Cabral A, González-Domínguez E. Characterization of Cylindrodendrum,Dactylonectria and Ilyonectria isolates associated with loquat decline in Spain,with description of Cylindrodendrum alicantinum sp. nov. European Journal of Plant Pathology, 2016, 145(1):103-118.
doi: 10.1007/s10658-015-0820-7
[28] Malapi-Wight M, Salgado-Salazar C, Demers J. Draft genome sequence of Dactylonectria macrodydima,a plant pathogenic fungus in the Nectriaceae. Genome Announcements, 2015, 3(2):278-280.
[29] VanInsberghe D, Maas K R, Cardenas E. Non-symbiotic Bradyrhizobiu ecotypes dominate North American forestsoils. The ISME Journal, 2015, 9(11):2435-2441.
doi: 10.1038/ismej.2015.54
[30] 迪拉热·海米提, 樊永红, 王伟楠, 等. 盐穗木叶片及根际土壤微生物群落高通量分析. 新疆农业科学, 2021, 58(4):731-740.
doi: 10.6048/j.issn.1001-4330.2021.04.016
[31] Beimforde C, Feldberg K, Nylinder S. Estimating the phanerozoic history of the ascomycota lineages:combining fossil and molecular data. Molecular Phylogenetics and Evolution, 2014, 78:386-398.
doi: 10.1016/j.ympev.2014.04.024
[32] Kalita M, Malek W. Genista tinctoria microsymbionts from Poland are new members of Bradyrizobium japonicum bv. genis tearum. Systematic and Applied Microbiology, 2010, 33(5):252-259.
doi: 10.1016/j.syapm.2010.03.005
[33] 沙娜瓦尔·色买提, 玉山江·买买提, 郭庆元, 等. 枣果霉烂病病原鉴定(二)——引起新疆枣果霉烂病的几种青霉菌的分离鉴定. 新疆农业科学, 2016, 53(4):698-705.
[34] 王振兴, 陶敏. 一株鞘氨醇单胞菌的分离鉴定及性质表征. 大连工业大学学报, 2019, 38(6):403-407.
[35] 郭兰萍, 黄璐琦. 栽培苍术根际土壤微生物变化. 中国中药杂志, 2007(12):1131-1133.
[36] 唐乐曹, 国璠. 土壤改良剂对连作白术质量、病害及土壤酶活性的影响. 河南农业科学, 2020, 49(3):54-62.
[37] 张燕, 樱井美希, 陈美兰, 等. 不同石灰处理对苍术生长、产量和挥发性成分影响的研究. 中药材, 2015, 38(3):429-432.
[38] 张猛, 曹国璠. 土壤改良剂对连作白术的品质、发病率及根部土壤酶活性的影响. 中药材, 2021, 44(4):793-797.
[1] 姜树坤, 王立志, 杨贤莉, 张喜娟, 刘凯, 迟力勇, 李锐, 来永才. 1961-2019年松嫩平原盐碱地区域水稻生长季气候资源的时空变化特征分析[J]. 作物杂志, 2022, (6): 214–219
[2] 严圣吉, 尚子吟, 邓艾兴, 张卫建. 我国农田氧化亚氮排放的时空特征及减排途径[J]. 作物杂志, 2022, (3): 1–8
[3] 顾银山, 张士龙, 贾海涛, 李小琴, 贺正华, 焦春海, 田小海, 黄益勤, 危文亮. 超甜玉米果皮柔嫩度与成分含量动态变化及相互关系[J]. 作物杂志, 2022, (3): 134–142
[4] 佟越强, 聂江文, 臧华栋, 杨亚东, 曾昭海. 1961-2018年全球青豌豆生产时空变化及发展趋势[J]. 作物杂志, 2022, (3): 47–54
[5] 刘亚军, 王文静, 王红刚, 王祁, 胡启国, 储凤丽. 作物轮作对甘薯田土壤微生物群落的影响[J]. 作物杂志, 2021, (6): 122–128
[6] 蔺儒侠, 郭凤丹, 王兴军, 夏晗, 侯蕾. 花生分子育种研究进展[J]. 作物杂志, 2021, (5): 1–5
[7] 王丽芳, 张德健, 张婷婷. 耕作方式对燕麦田土壤微生物群落多样性的影响[J]. 作物杂志, 2021, (3): 57–64
[8] 范业赓, 陈荣发, 闫海锋, 周慧文, 翁梦苓, 黄杏, 罗霆, 周忠凤, 丘立杭, 吴建明. 甘蔗轮作青饲玉米和花生对甘蔗生长和土壤性状的影响[J]. 作物杂志, 2021, (1): 104–111
[9] 李文旭, 吴政卿, 雷振生, 姜桂英. 河南省主要气象因子变化及其对主要粮食作物单产的影响特征[J]. 作物杂志, 2021, (1): 124–134
[10] 严华,晏中文,雷杰. 新源县1981-2018年气候变化特征及其对春玉米的影响[J]. 作物杂志, 2020, (2): 140–146
[11] 许瀚林,刘瑶,袁晓峰,潘婕,瓮巧云,吕爱枝,刘颖慧. 气候变化对冀西北青贮玉米种植布局影响的预测[J]. 作物杂志, 2020, (1): 124–129
[12] 李波,宫亮,曲航,金丹丹,孙文涛. 辽河三角洲稻区施氮水平对水稻生长发育及产量的影响[J]. 作物杂志, 2020, (1): 173–178
[13] 孙悦,刘斌,傅漫琪,王婧,王小慧,陈阜. 1985-2015年我国胡麻子生产时空动态变化[J]. 作物杂志, 2019, (6): 8–13
[14] 黄炳林,王孟雪,金喜军,胡国华,张玉先. 不同耕作处理对土壤微生物、酶活性及养分的影响[J]. 作物杂志, 2019, (6): 104–113
[15] 段斌,方玲,何世界,李慧龙,彭波,宋晓华,胡杨. 基于播期的温度变化对豫南粳稻播始历期和灌浆成熟期的影响[J]. 作物杂志, 2019, (3): 99–105
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 赵广才,常旭虹,王德梅,陶志强,王艳杰,杨玉双,朱英杰. 小麦生产概况及其发展[J]. 作物杂志, 2018, (4): 1 –7 .
[2] 权宝全,白冬梅,田跃霞,薛云云. 不同源库关系对花生光合特性及产量的影响[J]. 作物杂志, 2018, (4): 102 –105 .
[3] 赵云,徐彩龙,杨旭,李素真,周静,李继存,韩天富,吴存祥. 不同播种方式对麦茬夏大豆保苗和生产效益的影响[J]. 作物杂志, 2018, (4): 114 –120 .
[4] 高杰,李青风,彭秋,焦晓燕,王劲松. 不同养分配比对糯高粱物质生产及氮磷钾利用效率的影响[J]. 作物杂志, 2018, (4): 138 –142 .
[5] 商娜,杨中旭,李秋芝,尹会会,王士红,李海涛,李彤,张晗. 鲁西地区常规棉聊棉6号留叶枝栽培的适宜密度研究[J]. 作物杂志, 2018, (4): 143 –148 .
[6] 柏文恋,郑毅,肖靖秀. 豆科禾本科间作促进磷高效吸收利用的地下部生物学机制研究进展[J]. 作物杂志, 2018, (4): 20 –27 .
[7] 魏萌涵, 解慧芳, 邢璐, 宋慧, 王淑君, 王素英, 刘海萍, 付楠, 刘金荣. 华北地区谷子产量与农艺性状的综合评价分析[J]. 作物杂志, 2018, (4): 42 –47 .
[8] 梁晓宇, 林春雨, 马淑梅, 王洋. 水稻耐盐碱胁迫优异等位变异的发掘[J]. 作物杂志, 2018, (4): 48 –52 .
[9] 罗海斌, 蒋胜理, 黄诚梅, 曹辉庆, 邓智年, 吴凯朝, 徐林, 陆珍, 魏源文. 甘蔗ScHAK10基因克隆及表达分析[J]. 作物杂志, 2018, (4): 53 –61 .
[10] 李少昆,张万旭,王克如,俞万兵,陈永生,韩冬生,杨小霞,刘朝巍,张国强,王浥州,柳枫贺,陈江鲁,杨京京,谢瑞芝,侯鹏,明博. 北疆玉米密植高产宜粒收品种筛选[J]. 作物杂志, 2018, (4): 62 –68 .