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大小興安嶺地區細菌多樣性調查分析

來源:原創論文網 添加時間:2019-10-10

  摘    要: 細菌作為微生物中的重要組成部分,在有機質的形成與分解、維持生態系統平衡、促進動植物發育等多方面都有著重要作用。2014–2017年,我們采用常見培養基分離純培養法及16S rRNA基因序列分析方法對大小興安嶺地區土壤可培養細菌的群落結構和多樣性進行了調查研究。結果表明:從大小興安嶺地區的17個自然保護區內不同生境的土壤中分離獲得3,180個菌株,隸屬于24屬120種。其中,芽孢桿菌屬(Bacillus)的種數和株數最多,分別為38種和2,419株,是大小興安嶺地區可培養細菌的絕對優勢類群(占總株數的76.1%);其次是短桿菌屬(Brevibacterium)(13.0%)。大興安嶺地區的物種數、Simpson多樣性指數和Shannon-Wiener指數高于小興安嶺地區。優勢類群芽孢桿菌屬的枯草芽孢桿菌(B.subtilis)、蘇云金芽孢桿菌(B.thuringiensis)、巨大芽孢桿菌(B.megaterium)等有重要的生產及科學研究價值。

  關鍵詞: 大興安嶺; 小興安嶺; 細菌多樣性; 純培養; 16S rRNA; 芽孢桿菌屬;

  Abstract: As an important part of all microorganisms, bacteria play a vital role in the formation and decomposition of organic matter, the maintenance of ecosystem balance and the promotion of both animal and plant development. Here, the community structure and population diversity of culturable soil bacteria in the Greater and Lesser Khinggan Mountains were studied from 2014 to 2017 using the culture-dependent 16 S rRNA sequencing method. Three thousand one hundred eighty bacterial strains were isolated from different habitats across 17 nature reserves in the Greater and Lesser Khinggan Mountains. Twenty-four genera and 120 species were identified from the specimens. Among them, Bacillus had the largest number of species and strains, 38 and 2,419, respectively. Bacillus was the dominant genus(76.1%) for this culture of bacteria from the Greater and Lesser Khinggan Mountains, followed by Brevisbasillus(13.0%). The species number, Simpson diversity index and Shannon-Wiener index were higher in the Greater Khinggan Mountains than the Lesser Khinggan Mountains. The subsequent analysis of the dominant genus of Bacillus showed that B. subtilis, B. thuringiensis and B. megaterium were important for the local economy and future scientific research.

  Keyword: the Great Khinggan Mountains; the Lesser Khinggan Mountains; bacterial diversity; pure culture; 16S rRNA; Bacillus;

  作為生態系統中的重要組分,微生物在自然界的物質與能量循環、生態系統的演替以及生物多樣性的維持中發揮著重要的生態功能(郭良棟,2012)。細菌在營養元素循環利用、改善生態環境、有機質的分解、植物的生長發育及病蟲害防治等很多方面都有著重要作用(柳春林等,2012)。細菌群落結構差異是反映區域生態差異及變化規律的有效指標,可用于對生態系統功能進行科學合理的評估。隋心等(2015)通過對施氮小葉章(Deyeuxia angustifolia)濕地的細菌多樣性進行研究,來預測大氣氮沉降對土壤微生物的影響。羅菲等(2011)研究發現野生稻種的根際有著豐富的可促進植物生長的資源性細菌。細菌可以吸收固定環境中的重金屬離子,在抗金屬污染方面也發揮著重要的作用(Stefanowicz et al,2010)。因此,對某一特定區域的生態系統進行細菌多樣性研究有著重要的意義。

  大小興安嶺地區位于我國最北部,是我國面積最大的原始林區,森林覆蓋率高達66.54%,大小河流1,500多條,含有多種生態功能區(森林、濕地、草甸、草原等)。大小興安嶺地區位于溫帶和寒溫帶的過渡地帶,其特殊的地理位置及自然條件使得這一區域有著豐富的生物資源。受過度砍伐、土地開發及全球氣候變暖等多種因素影響,大小興安嶺地區的生物物種及遺傳多樣性都產生了較大的變化;其中細菌由于對環境有較強依賴性和敏感性,其種類多樣性及數量會受到更大的影響。
 

大小興安嶺地區細菌多樣性調查分析
 

  本文采用稀釋平板法對大小興安嶺地區的17個自然保護區內不同生境下的土壤細菌進行分離純化,對其進行形態學和16S rDNA鑒定和系統發育分析。擬通過對該地區細菌多樣性的系統調查,進一步了解其細菌資源現狀,為我國東北地區菌類資源的開發、保護和可持續利用以及科學合理地制定保護和利用自然資源的政策提供參考。

  1、材料與方法

  1.1、研究區概況

  在大小興安嶺地區內沿著兩大山脈選取具有典型代表性的16個國家級自然保護區及1個省級自然保護區作為研究地點(116°71′′–129°39′′E,52°46′′–43°37′′N),各保護區的主要植被有:闊葉林(蒙古櫟(Quercus mongolica)、白樺(Betula platyphylla)、黑樺(B.dahurica)等)、針葉林(紅松(Pinus koraiensis)、樟子松(P.sylvestris var.mongolica)、落葉松(Larix gmelinii)等)、濕地、季節性濕地、草地、草甸等。具體生境調查概況見表1。

  1.2、研究方法

  1.2.1、采樣方法

  在2014–2017年,以大小興安嶺地區的國家級自然保護區為中心,對林區、草原、濕地等生境,分季節按照不同林地類型進行土壤樣品采集。按照樣地面積大小確定采樣點數并隨機布點,取樣深度為0–10 cm,每個點取0.5 kg左右土樣。將多點所取樣品充分混合,取混合土樣裝入無菌袋中,低溫保存并帶回。在實驗室內去除樣品中石塊、較粗的根系等雜物,并過2 mm篩子,4℃冷藏,隨即進行細菌培養分離,剩余土壤樣品–20℃冰箱保存。

  1.2.2、細菌分離鑒定

  采用稀釋平板法從土壤中分離培養細菌:將樣品制備成不同梯度的土壤稀釋液后分別涂布于4種不同培養基(營養肉湯、血液瓊脂、牛肉膏蛋白胨、豆粉)平皿上(郝士海,1992),每個梯度3個重復,37℃恒溫培養1–4 d;待菌落長出后進行純化分離,直至鏡檢為單一形態為止。對所得單一菌株進行命名并制成終濃度20%甘油菌,–20℃保存以備鑒定和測定。

  將分離得到的菌株進行液體培養,并進行菌液基因組DNA提取,16S rDNA基因序列擴增選用通用引物27F(5′–AGAGTTTGATCCTGGCTCAG–3′)和1492R(5′–GGTTACCTTGTTACGACTT–3′),PCR擴增產物經1%凝膠電泳檢測并回收,回收產物送至蘇州金唯智生物科技有限公司進行測序。

  1.2.3、統計分析

  序列經DNAman 6.0拼接后,在NCBI網站(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/)分別進行Blast比對,確定分離菌株種類;基于大小興安嶺各樣地菌株所屬類群及細菌分離來源,計算不同樣地土壤細菌的多樣性指數(孔凡洲等,2012)。

  其中,Pi=Ni/N,Ni是第i屬的菌株數;N為全部屬的菌株數之和;S為群落中的總物種數。

  2、結果

  2.1、大小興安嶺地區可培養細菌群落結構

  采用純化培養方法,對大小興安嶺地區內17個自然保護區環境土樣中的細菌進行劃線分離培養,共獲得3,180株細菌純培養物。菌株的16S rDNA序列信息顯示,這些菌株歸屬于24屬120種。24個屬分別是:氣單胞菌屬(Aeromonas)、不動桿菌屬(Acinetobacter)、檸檬酸桿菌屬(Citrobacter)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、短芽孢桿菌屬(Brevibacillus)、短桿菌屬(Brevibacterium)、布丘氏菌屬(Buttiauxella)、纖維菌屬(Cellulosimicrobium)、異常球菌屬(Deinococcus)、脫硫孤菌屬(Desulfovibrio)、腸桿菌屬(Enterobacter)、泛菌屬(Erwinia)、假單胞桿菌屬(Fictibacillus)、類腸桿菌屬(Lelliottia)、賴氨酸芽孢桿菌屬(Lysinibacillus)、類芽孢桿菌屬(Paenibacillus)、嗜冷芽孢桿菌屬(Psychrobacillus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、紅球菌屬(Rhodococcus)、土壤芽孢桿菌屬(Solibacillus)、鏈霉菌屬(Streptomyces)、沙雷氏菌屬(Serratia)、葡萄球菌屬(Staphylococcus)和綠芽孢桿菌屬(Viridibacillus)。其中,芽孢桿菌屬的種數和株數最多,分別為38種和2,419株,是大小興安嶺地區可培養細菌的絕對優勢類群(占總菌株數的76.1%),其次是短桿菌屬(13.0%)。

  表1 大小興安嶺地區樣地概況
表1 大小興安嶺地區樣地概況

  2.2、大小興安嶺地區可培養細菌多樣性指數

  在小興安嶺各保護區中,涼水地區的Simpson多樣性指數、Shannon–Wiener指數和Pielou均勻度指數最大,分別為0.626、1.282和0.659(表2)。在大興安嶺各保護區中,汗馬、呼中、南甕河、輝河地區的Simpson多樣性指數、Shannon-Wiener指數和Pielou均勻度指數要高于其他保護區;紅花爾基的Simpson多樣性指數、Shannon-Wiener指數和Pielou均勻度指數均最小,分別為0.219、0.486和0.302(表3)。整體上看,大興安嶺地區的Simpson多樣性指數和Shannon-Wiener指數高于小興安嶺地區。

  2.3、大小興安嶺芽孢桿菌屬系統發育分析

  本研究共分離到2,419株芽孢桿菌屬菌株,占分離總菌株數的76.1%,由此可見,芽孢桿菌屬為大小興安嶺地區土壤微生物中的優勢菌屬。阿耶波多氏芽孢桿菌(B.aryabhattai)(占芽孢桿菌屬菌種總數的17.2%)和蠟樣芽孢桿菌(B.cereus)(11.5%)為大小興安嶺芽孢桿菌屬的優勢種;巨大芽孢桿菌(B.megaterium)、解淀粉芽孢桿菌(B.amyloliquefaciens)、枯草芽孢桿菌、蘇云金芽孢桿菌、炭疽桿菌(B.anthracis)、蕈狀芽孢桿菌(B.mycoides)、酸快生芽孢桿菌(B.acidiceler)、簡單芽孢桿菌(B.simplex)、短小芽孢桿菌(B.pumilus)、沙福芽孢桿菌(B.safensis)、地衣芽孢桿菌(B.licheniformis)、堀越氏芽孢桿菌(B.horikoshii)、假蕈狀芽孢桿菌(B.pseudomycoides)和抗根結線蟲芽孢桿菌(B.toyonensis)為常見種(表4)。

  表2 小興安嶺地區細菌多樣性
表2 小興安嶺地區細菌多樣性

  表3 大興安嶺地區細菌多樣性
表3 大興安嶺地區細菌多樣性

  表4 大小興安嶺芽孢桿菌菌株鑒定結果
表4 大小興安嶺芽孢桿菌菌株鑒定結果

  3、討論

  3.1、大小興安嶺細菌群落結構及多樣性

  土壤微生物是陸地生態系統的重要組成部分,是地球化學循環的主要驅動者(Felicia et al,2018;Ren et al,2018;Sun&Brain,2019)。土壤微生物群落對環境因素的響應機制較復雜,可能受氣候,土壤理化性質、地上動物及人類活動等多種因素影響(Carnovale et al,2018)。從微生物群落多樣性的生態格局來看,地上植被類型是影響土壤細菌群落多樣性的重要因子;土壤微生物的群落組成和活動與植物群落多樣性、生態系統多樣性有著密切聯系(丁新景等,2017;Vezzani et al,2018)。許璐等(2017)對庫姆塔格沙漠北界阿奇克谷地可培養細菌群落的分布特征研究發現,土壤環境中的細菌生物量及群落多樣性與植被群落組成的多樣性成正相關。蘇潔等(2018)研究認為北極新奧爾松地區不同類型土壤及沉積物的可培養細菌群落結構多樣性也存在差異。對塔吉克斯坦不同類型的可培養細菌多樣性研究發現,其主要優勢菌屬為芽孢桿菌屬,不同土地類型間的細菌多樣性差異較大(謝汶芝等,2016)。本文為了最大程度地了解大小興安嶺的可培養細菌群落結構,分離鑒定了該區域內具有典型代表性的生態系統內的可培養細菌資源(表1);通過16S rDNA序列Blast比對發現,各生境間群落結構差異不大,共得到24屬120種細菌;芽孢桿菌屬為絕對優勢類群,其次是短桿菌屬。

  統計分析發現,大興安嶺地區的細菌多樣性高于小興安嶺地區,這可能是由于除森林生態系統、濕地外,大興安嶺地區有更多的生境類型且分布較廣,例如草地、沙地、季節性濕地等。從表3可知,大興安嶺地區紅花爾基的Simpson和Shannon-Wiener多樣性指數均顯著低于其他幾個保護區,這可能是因為該地區主要優勢植被類型為樟子松林,林型單一,林下植被較少。此外,汗馬、南甕河、輝河、呼中地區的植被多樣性相對較高,其多樣性指數也較高,說明細菌多樣性與植被類型的關系密切。

  在微生物多樣性的研究中,純培養方法是一種重要的技術手段,可用于直接獲得菌種資源、微生物的基因序列、形態、生理特性、代謝功能等信息(Pham&Kim,2012),但純培養方法具有一定的局限性,不能完全地反映出地域或生境之間微生物群落結構和多樣性的差異。蘇進進等(2011)對可可西里土壤細菌純培養與免培養的結果進行對比發現,土壤中的一些優勢菌并沒有有效分離出來。王光華等(2016)研究發現,不易培養的土壤酸桿菌在各種生境中都有分布,大約占細菌總量的20%–50%。今后的土壤細菌多樣性調查工作還需要針對特定微生物設計特定培養基以及與多種方法相結合,彌補傳統培養方法的不足,更全面地了解各種生境下的細菌多樣性。

  3.2、大小興安嶺地區優勢類群

  芽孢桿菌是一類好氧或兼性厭氧并能產生抗逆性芽孢的細菌,能在極端條件下生存,在多種生境中廣泛分布。趙雅慧等(2018)對山口紅樹林根際土壤細菌多樣性調查發現,芽孢桿菌綱的產酶菌株數最為豐富,芽孢桿菌屬為紅樹林根際土壤的優勢屬。成都地區芽孢桿菌屬的常見種為巨大芽孢桿菌、蠟樣芽孢桿菌、球形芽孢桿菌(Bacillus sphaericus)、短小芽孢桿菌和環狀芽孢桿菌(B.circulans)(唐志燕等,2005)。本研究中,阿耶波多氏芽孢桿菌和蠟樣芽孢桿菌為大小興安嶺芽孢桿菌屬的優勢類群。可見,地域和生境的差異對細菌群落分布有著重要的影響。

  芽孢桿菌作為重要的菌物資源,所包含的很多特殊功能菌種可用于降解土壤中難溶的磷、鉀化合物,治理原油污染,防治植物病害,食品加工等(Datta et al,2018;Fira et al,2018;He et al,2019)。在本研究分離鑒定的大小興安嶺可培養細菌中,芽孢桿菌屬為絕對優勢類群,共有38種,菌種種類較豐富,其中有多種菌種具有較高的實用價值。如枯草芽孢桿菌對番茄有促生長作用(謝越盛等,2016);其產生的蛋白酶是重要的工業原料,可用于加工生產洗滌劑、乳制品、制藥等(Suberu et al,2019)。解淀粉芽孢桿菌對棉花煙草條紋病毒有很強的拮抗作用,還可以促進棉花的生長(Vinodkumar et al,2018)。蘇云金芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌、蠟狀芽孢桿菌對鱗翅目、鞘翅目、雙翅目類昆蟲及松材線蟲等病蟲害有很好的滅殺作用,是有效的生物農藥(Mannaa&Kim,2018;Wei et al,2018;張婉君等,2019)。地衣芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌和短小芽孢桿菌可用于降解有機物、修復土壤、促進植物生長等(趙樹民等,2017;Jayalatha et al,2019;Xie et al,2019)。某些Bt菌株產出的蛋白晶體對人類癌細胞具有抑制作用(Domanska et al,2019)。甲基營養芽孢桿菌產生的吲哚乙酸對玉米的生長有著顯著促進作用(武利勤等,2016)。可見,芽孢桿菌屬的細菌在工業、農業、醫學等領域有著重要的作用及廣泛的應用價值。大小興安嶺地區內可培養芽孢桿菌屬細菌多樣性較豐富,通過系統發育分析發現,還有多種芽孢桿菌屬的細菌與上述有實用價值的菌種有著較近的親緣關系,也可作為重要生物資源用于深入的科學研究和工業生產。

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