ризосферата

  • елементи
  • абстрактно
  • Въведение
  • резултатът
  • Състав на микробната общност
  • Бактериално и гъбично α-разнообразие
  • Химични свойства и ефекти на почвата върху бактериални или гъбични таксони
  • дискусия
  • методи
  • Точки за вземане на проби
  • ДНК екстракция и секвениране на Illumina MiSeq
  • Анализ на последователността, базиран на OTU
  • Определяне на физико-химичните свойства на почвата
  • Статистически анализи
  • Повече информация
  • Допълнителна информация
  • PDF файлове
  • Допълнителна информация
  • Коментари

елементи

абстрактно

Черният пипер (Piper nigrum L.), от семейство Piperaceae, е многогодишно дървесно катерещо растение, което предлага търговски продукт, известен като "черен пипер" 1, 2. Черният пипер, считан за „цар на подправките“, има широк спектър на употреба, от прости хранителни съставки до убедителни фармакологични ползи 3, 4. Растението има голямо икономическо значение в много тропически страни, а Виетнам, Индия, Индонезия, Бразилия и Китай са основни производители и износители на стоки от черен пипер 5. Провинция Хайнан, основният производител и износител в Китай, отглежда 22 000 хектара P. nigrum и годишно произвежда 3,6 × 107 kg сух пипер, което представлява 90% от производството на пипер в Китай. Това е важна индустрия за тропически култури в Китай с продукция от над 15 милиона долара 6 .

Следващите монокултурни проблеми обаче са сред основните играчи, влияещи върху производителността и качеството на черния пипер в Китай 7, 8. Въпреки че последователното отглеждане е често срещано в селскостопанското производство, това може да причини проблеми като влошаване на качеството на почвата 9, намалени добиви 10 и влошени болести по растенията, причинени от вредители по културите 11. Що се отнася до черния пипер, дългосрочната монокултура води до лош растеж, ниски добиви и сериозни заболявания, което сериозно затруднява производството на черен пипер. Има редица проучвания за последващите монокултурни проблеми с черния пипер, като се фокусират по-специално върху качеството на плодовете 12, храненето на почвата и физико-химичните свойства 13, 14 .

Бавно разпадане/увяхване, гниене на крака Phytophthora и нематоди от коренови възли са основните заболявания на черния пипер. Тези три вида заболявания се срещат и се срещат по-често в полета с монокултурен черен пипер 5, 7. Fusarium се съобщава като патогенна гъба на черен пипер бавен спад/увяхване 5 и Pseudomonas и Bacillus имат антагонистични ефекти срещу Phy. Капсичи нематод 15 и корен възел 16. Не са докладвани обаче промени в количеството на патогенната гъба Fusarium и бактериите антагонисти Pseudomonas и Bacillus в почвата с черен пипер с възрастта на засаждане.

Физико-химичните свойства на почвата, по-специално наличието на почвен азот (N) и рН на почвата, оказват голямо влияние върху състава на почвените микробни съобщества 23, 24. Нашето предишно проучване съобщи, че дългосрочната последователна монокултура на черен пипер е довела до значително намаляване на рН на почвата, органични вещества (ОМ) и ензимни активности, което е довело до намаляване на бактериалното съдържание в почвата 25. В настоящото изследване се фокусирахме върху сравнението на влиянието на дългосрочната последователна монокултура върху състава на бактериални и гъбични съобщества, както и върху физико-химичните свойства между почвите с ризосфера и неризосфера.

резултатът

Състав на микробната общност

След филтриране на стойностите според базовия качествен контрол и отстраняване на единичната оперативна таксономична единица (OTU), от 24 проби са получени 1 477 241 последователности, съдържащи 9 665 бактериални OTU. Броят на висококачествените последователности на проба варира от 36 084 до 89 822. Класифицираните последователности във всички проби са свързани с 25 бактериални фила, а останалите последователности са некласифицирани. Доминиращата фила (средно относително изобилие [ARA]> 1%) във всички проби са Acidobacteria (23, 41%), Proteobacteria (18, 83%), Firmicutes (6, 75%), Chloroflexi (6, 37%), Verrucomicrobia (5, 57%), Actinobacteria (5, 57%) 3, 91%), планктомицети (3, 87%), Bacteroidetes (3, 09%) и Gemmatimonadetes (1, 09%) (фиг. Sla). В допълнение, Nitrospira, Armatimonadete, Cyanobacteria и WS3 присъстват в повечето почви, но с относително ниска честота (ARA: 0,1-1%). Други 12 други редки фили принадлежат на ARA

Относителното количество на основните бактерии ( а ) и гъби ( б ) щамове в почвата с ризосфера и неризосфера в четири последователни монокултурни диапазона.

Изображение в пълен размер

Относително представяне на 10-те основни бактерии ( а ) и гъби ( б ) в почвата на ризосферата и неризосферата в четири последователни монокултурни ареала. "12 години", "18 години", "28 години" и "38 години" се отнасят до четири последователни монокултурни диапазона от 12, 18, 28 и 38 години.

Изображение в пълен размер

На ниво род (фиг. 2) родовете GP4 и GP6 имат по-високи RA в почвата с ризосфера, отколкото в почвата без ризосфера, докато обратната тенденция се наблюдава при останалите осем рода. В неризосферна почва RA Ktedonobacter намалява с увеличаване на продължителността на засаждане; Въпреки това, RA от други родове не показват очевидна тенденция на вариация. По отношение на гъбите, тенденциите на почти всички родове в ризосферната почва са подобни на тези в ризосферната почва, с изключение на Aspergillus, която намалява в ризосферната почва и се увеличава в свободната от ризосфера почва.

Интересното е, че патогенната гъба Fusarium се увеличи значително, тъй като времето за засаждане беше удължено както в ризосферни, така и в неризосферни почви. За разлика от тях, Pseudomonas и Bacillus, благоприятни за растежа на черния пипер, показват значителен спад.

Бактериално и гъбично α-разнообразие

Индексите на богатството и разнообразието на микробните общности са показани в Таблица 1. Обхватът на всички проби е над 96%, което показва, че дълбочината на секвениране отговаря на нуждите на нашите експерименти. По отношение на гъбите, индексът на Шанън разкрива значителен спад в почвите с и без ризосферата, тъй като времето за засаждане се удължава. По-специално, разнообразието от гъби в почвата е намаляло значително след 38 години отглеждане на черен пипер. В случая с бактериите, богатството и разнообразието на почвените бактерии намалява с времето на засаждане както в ризосферни, така и в ризосферни почви, въпреки че индексите Chao1 и Shannon не разкриват значителна разлика.

Маса в пълен размер

Химични свойства и ефекти на почвата върху бактериални или гъбични таксони

Както е показано в таблица 2, съдържанието на ОМ в почвата и наличното К (АК) съдържание намаляват значително по време на монокултурата в ризосферата и ризосферните почви. Промените в рН и на двете почви варираха с тенденция към намаляване. Освен това наличното съдържание на N (AN) и наличното P (AP) в почвата с ризосфера се увеличава с течение на времето и стойността на AP в почвата с ризосфера е приблизително 10 пъти по-висока, отколкото в почвата без ризосфера.

Маса в пълен размер

Тестовете на Монте Карло, основани на химичните свойства на почвата и броя на най-разпространените бактериални и гъбични фили, разкриват, че избраните химични свойства на почвата значително корелират с вариациите на избрания филл (P = 0,01). Анализът на резервирането (RDA) показва, че първият и вторият компонент на RDA обясняват 52, 76% и 30, 27% от общите бактериални и гъбични вариации (Фиг. 3). За бактериите първият компонент (RDA1), който обяснява 37,57% от общата вариация, отделя проби от ризосфера на почвата, получени от четири полеви парцела с различна продължителност на засаждане, от проби на почвата без ризосфера. Както показват техните близки клъстери и вектори, доминиращият бактериален щам в пробите от почвата на ризосфера е протеобактериите и е свързан със съдържанието на AP, pH и OM и AN, докато доминиращият бактериален щам в почвата без ризосфера е Acidobacteria. Що се отнася до гъбите, първият компонент (RDA1), който представлява 15,65% от общата вариация на филата на гъбата, отделя почвените проби от 38-годишна възраст от ризосферата и неризосферата от други проби. Както показват техните близки групи и вектори, най-високият гъбичен щам при 38-годишното лечение е Ascomycota и е свързан със съдържанието на AN.

Анализ на резервирането (RDA) на обилни почвени бактерии ( а ) и гъбични ( б ) филови и физико-химични свойства на почвата за отделни проби от четири последователни монокултури в полета с черен пипер. "12 години", "18 години", "28 години" и "38 години" се отнасят до четири последователни монокултурни диапазона от 12, 18, 28 и 38 години.

Изображение в пълен размер

Поръчката на Спиърман е била използвана за оценка на връзките между обилните филити и физикохимичните свойства на почвата (Таблица S1). Резултатите показват различни корелации на почвената микробна философия и физикохимичните свойства на почвата в почви с ризосфера и неризосфера. Например, RA на почвения микробен фил без ризосфера е отрицателно корелиран (Firmicutes phylum положително корелиран) с pH на почвата, но няма значителна корелация с AP. За разлика от това, няма значителна корелация с pH и положителна корелация с AP в почвите на ризосфера.

дискусия

В това проучване анализът на последователността на IlSumina MiSeq на 16S rRNA и ITS последователностите разкри, че дългосрочните последователни монокопии от черен пипер променят структурата на почвената микробна общност. Промените, наблюдавани за бактериите, са в съответствие с предишните ни резултати, които показват, че ацидобактериите и протеобактериите са основният вид с намаляване на броя на Firmicutes при дългосрочно непрекъснато отглеждане 25. В не-росфосферни почви RA Acidobacteria се увеличава значително при непрекъснато засаждане, докато Bacteroidetes и Firmicutes намаляват. Промените в тези три филози са в съответствие с предишни изследвания върху последователни култури 26. По отношение на гъбичките Ascomycota е най-разпространеният щам, представляващ 89,92%, и нейният RA се увеличава значително с времето за засаждане. В ризосферната почва РА на петте най-важни фила постепенно се увеличава. Въпреки това, RA Chytridiomycota RA леко намалява в почвата с ризосфера, докато RA на останалите четири фила се увеличава. В допълнение, значително намаление на индекса на Шанън в ризосферната почва се наблюдава в 38-годишното поле, което предполага, че дългосрочното последващо отглеждане може да причини значително намаляване на гъбичното разнообразие в почвата от черен пипер.

Биологичните свойства на ризосферните почви могат да се различават значително от тези на масовите почви 34 и подобно явление се наблюдава в това проучване. Първо, средният RA на протеобактериите в ризосферната почва (RA 23, 55%) е много по-висок от средния RA в почвата без ризосфера (RA 14, 11%). Второ, RA Firmicutes намалява значително от 20, 31% (12 години) до 5,37% (38 години) в почвата без ризосфера, но не се наблюдава значителна разлика в почвената ризосфера. И накрая, на ниво род, RAs на повечето родове са различни между почвите на ризосферата и ризосферата. Тези резултати може да се дължат на сложни взаимодействия между коренови ексудати, хранителни вещества и почвени микроорганизми 35. Освен това бионаличността на хранителни вещества в почвата и богатството и разнообразието на микробните съобщества са по-високи в почвите с ризосфера, отколкото в почвите без ризосфера. Като цяло, за да се разберат проблемите с последващата монокултура черен пипер, трябва да се обърне повече внимание на взаимодействията между хранителните вещества в почвата, кореновите ексудати и микробната общност, особено функцията на кореновите ексудати в почвата на ризосферата.

методи

Точки за вземане на проби

Изследването е проведено в Изследователския институт за подправки и напитки (18 ° 72 ′ с.ш. - 18 ° 76 ′ с.ш., 110 ° 19 ′ изток - 110 ° 22 ′ изток), град Уанинг, провинция Хайнан, ПР Китай. Този район се характеризира с тропически мусонен климат със средна температура 24,6 ° C, средногодишни валежи от 2150 mm и средна годишна относителна влажност от 85%.

Експериментални проби от почвата бяха взети на 15 юли 2015 г. от четири различни черни подправки (Piper nigrum L. cv. Reyin No. 1) от последователни монокултурни полета (12, 18, 28 и 38 години) със същия агрономичен режим на управление и наторяване. растенията с черен пипер бяха избрани на случаен принцип за всяко поле с черен пипер и пробите от почвата бяха взети на случаен принцип от всяко от трите растения като една проба от почвата. Внимателно изкопайте бучките с корените на черния пипер за всяко растение. Почвата на повече от 1 см от корените беше събрана и считана за без ризосфера. След това внимателно отстранете почвата на 5 мм от корените с четка и пинсета. Почвата, съседна на кореновите сегменти, на разстояние 1-5 mm от кореновата повърхност, беше разклатена и определена като почва с ризосфера. Всички проби от почвата бяха поставени в стерилни найлонови торбички, поставени в ледена кутия и прехвърлени в лабораторията. След преминаване през 2 mm сито, всяка проба се разделя на две подпроби: една част се изсушава на въздух, за да се анализират характеристиките на почвата, а останалата част се съхранява при -80 ° C за екстракция на ДНК.

ДНК екстракция и секвениране на Illumina MiSeq

Общо ДНК беше извлечено от 24 почвени проби, използвайки MoBio PowerSoil® ДНК изолационен комплект (Mo Bio Laboratories Inc., Карлсбад, Калифорния, САЩ), съгласно инструкциите на производителя. Концентрацията и чистотата на геномната ДНК бяха измерени с помощта на спектрофотометър NanoDrop ND-2000 (NanoDrop Technologies, Wilmington, DE).

Праймери 515F (GTGCCAGCMGCCGCGGTAA) и 806R (GGACTACVSGGGTATCTAAT) бяха използвани за усилване на V4 хиперпроменливите региони на бактериалния 16S рРНК ген. Грундовете на гъби ITS1F (CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA) 36 и ITS2 (GCTGCGTTCTTCATCGATGC) 37 бяха избрани за насочване към региона ITS1. Полимеразната верижна реакция (PCR) се извършва съгласно нашата предишна публикация 23, 38. И накрая, двойно секвениране беше извършено с помощта на секвенсор Illumina MiSeq в Personal Biotechnology Co., Ltd (Шанхай, Китай).

Анализ на последователността, базиран на OTU

Анализът на последователността, базиран на OTU, беше извършен с помощта на предишните ни методи 38. Накратко, след отстраняване на адаптерите и последователностите на грунда, суровите последователности бяха сглобени за всяка проба съгласно уникален баркод, използвайки QIIME 39. Разделените последователности за всяка проба се обединяват, като се използва FLASH V1.2.740 и нискокачествените последователности се изхвърлят при QIIME. Последователностите, останали за всяка проба, бяха обработени съгласно установения UPARSE тръбопровод 41. Накратко, бяха отстранени последователности с качествен резултат по-малък от 0,5 или по-малък от 200 bp. След премахване на единичните, останалите стойности бяха присвоени на OTU с праг от 97% идентичност. След това бяха извършени процеси за отстраняване на химера. И накрая, бактериални представителни последователности бяха търсени срещу RDP бази данни 42, 43 и гъбично представителни OTUs бяха класифицирани с помощта на базата данни UNITE 44 .

Определяне на физико-химичните свойства на почвата

Физико-химичните свойства на почвата бяха определени по същия начин, както в предишната ни публикация 23. Накратко, рН на почвата се измерва с помощта на измервател на стъклен електрод в суспензия почва-вода (1: 5 w/v). OM и AN (хидролизуем N) се определят чрез външно нагряване на калиев дихромат. AP се определя по метода на молибденово синьо. АК се определя чрез фотометрия на пламъка.

Статистически анализи

Покритието, богатството (индекс Chaol) и разнообразието (индекс Shannon) бяха използвани за оценка на α-разнообразието на всяка проба, използвайки Mothur (версия 1.36.0). Корелациите между обилните почвени микробни вилуси и характеристиките на почвата бяха определени чрез RDA, използвайки веган пакет R (версия 3.2.3). Извършен е еднопосочен дисперсионен анализ (ANOVA) с многодиапазонни HSD анализи на Tukey за множество сравнения, използвайки SPSS V20.0 (SPSS Inc., САЩ) и корелациите на Spearman rank са изчислени с помощта на SPSS V20.0 (SPSS Inc., USA ). ).

Повече информация

Как да цитирам тази статия: Li, Z. et al. Различни реакции на почвените микробни съобщества от ризосферата и неризосферата към последователни монокултури от Piper nigrum L. Sci. Представител. 6, 35825; doi: 10, 1038/srep35825 (2016).

Допълнителна информация

PDF файлове

Допълнителна информация

Коментари

Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки на общността. Ако откриете нещо обидно или несъвместимо с нашите условия или насоки, означете го като неподходящо.