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重金属胁迫下海州香薷根际微域细菌群落结构和特异基因表达研究

栾静  
【摘要】:植物根系及根际微生物的共同作用可以改变根际环境,影响土壤重金属的生物有效性。合理调控植物根系生长及根际微生物群落结构,可以提高土壤重金属污染生态修复(尤其是植物提取)的效率。根际微域是植物根系与土壤和微生物作用最活跃的区域,也是根系对重金属最敏感的区域。因此,研究重金属胁迫下根际微域土壤的微生物生态,有助于阐明污染胁迫下微生物-植物的相互作用机制。本论文以海州香薷为研究对象,采集浙江富阳铜冶炼厂周边重金属污染土壤和未污染土壤,利用根际箱培养海州香薷。海州香薷在温室中生长一段时间后,采集沿根系的不同根际微域土壤样品,采用原子吸收结合聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳(PCR-DGGE)、分子克隆等现代分子生物学技术,分析了植物根际微域的重金属形态和可溶性有机碳、根际不同微域的细菌群落结构以及不同微域细菌运动基因和趋化基因的表达量。主要研究结论如下: (1)重金属的形态分析表明根际各微域土壤中总铜的含量显著低于未种植物的对照土壤。根际不同微域各形态的铜含量存在差异,其中可交换态铜以成熟区最高,为4.24 mg/kg。根际土壤中可交换态、碳酸盐结合态和铁锰氧化物结合态的铜占总铜的比例均高于未种植物的对照土壤。其中以距根基部1cm的区域比例最高,约占总铜含量的81.7%,而对照土壤中这三种形态的铜仅占总铜的50%,故距根基部1cm区域重金属潜在的生物有效性最高。 (2)由于根系各生长区域的生长特征及其与周围土壤颗粒和根际微生物的作用时间不同,根际微域土壤中DOC的含量也不同。污染土壤中以距根基部1cm的区域含量最高,为471.10 mg/kg;未污染土壤中以分生区最高,为448.46 mg/kg,且从分生区到距根基部1cm的区域DOC含量逐渐降低。DOC含量的差异必然影响根际微域的细菌群落结构。 (3) DGGE图谱Shannon指数分析显示两种土壤中根际不同微域细菌的Shannon指数从分生区到距根基部1cm的区域均呈下降趋势,细菌多样性降低。Shannon指数的变化与土壤中DOC的含量具有一定的相关性。DGGE图谱主成分分析表明分生区、伸长区和成熟区的细菌群落结构特征较为接近,而与距根基部1cm区域的差异较大。 (4)对两种土壤DGGE图谱中的特异性条带进行了克隆和测序鉴定发现变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)是海州香薷根际主要的细菌种群,且未污染土壤中克隆条带所在的属更分散、更多一些。重金属胁迫使得异常球菌-栖热菌门(Deinococcus-Thermus)酸杆菌门(Acidobacteria)中的Gp1属等细菌种群在海州香薷根际消失,同时也诱导了厚壁菌门(Firmicutes)等另外一些菌属在污染土壤海州香薷根际的形成。 (5)利用RT-PCR技术分析了土壤中细菌运动基因(fliC)和趋化基因(cheA)的拷贝数。细菌鞭毛可以响应根际微环境的改变,致使根际不同微域fliC的拷贝数存在差异,根际各微域运动基因拷贝数的变化是其响应外界环境的一种方式。两种土壤中根际各微域cheA的拷贝数均高于未种植物的对照土壤,且均以分生区最高。根际不同微域cheA的拷贝数与DOC含量有一定的相关性,可溶性有机碳是细菌运动的重要趋化因子之一。


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