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沙冬青根瘤内生细菌多样性及生物地理研究

赵亮  
【摘要】:沙冬青在我国仅分布于西北地区,植被面积零星、集中,种群优势度显著。基于沙冬青地理分布特征,兼顾样地选择科学性、合理性,本研究以9个植被分布集中,生态环境差异明显的地区作研究样地,对沙冬青根瘤内生细菌多样性及生物地理模式进行系统、深入剖析。372株供试菌通过16S r RNA PCR-RFLP酶切分群,各群选取代表株经16S r RNA基因测序、贝叶斯系统发育分析,初步确定所有供试菌分属33个不同种群。共生固氮内生细菌(根瘤菌)属Rhizobium和Sinorhizobium包含9个不同种,即Rhizobium galegae(82株)、Sinorhizobium meliloti(51)、Rhizobium radiobacter(28)、Rhizobium gallicum(21)、Rhizobium sp.(15)、Sinorhizobium fredii(13)、Sinorhizobium arboris(2)、Rhizobium herbae(3)和Rhizobium leguminosarum(4),其中R.galegae菌株丰度最高,其次S.meliloti,表明沙冬青选择结瘤共生体时可能较为偏好这两个种群的菌株遗传背景;S.arboris、R.herbae和R.leguminosarum相对丰度最低,暗示其竞争结瘤能力相比其它共生体较弱。其余153株非共生固氮内生细菌,归类于3大分类门24个物种,其中变形杆菌门(Proteobacteria)菌株比例最高(119/153),囊括4属17个种,且此门内Phyllobacterium brassicacearum(27)和Xanthomonas translucens(18)菌株数目较多,为优势种群。其它两个菌门,即厚壁菌门(Firmicutes)和放线菌门(Actinobacteria)共包含34株菌,分布于7个种,但多数种仅分离到一株菌。由此说明,变形杆菌门内生细菌(包含根瘤菌)最易被沙冬青选择共生。以上述33个种作操作分类单元(OTUs),进行物种多样性及生物地理模式分析。alpha多样性分析表明:7类物种多样性指数分别在9个样地间表现出一定差异,这种差异说明沙冬青根瘤内生细菌物种多样性可能因地理位置不同而呈现一定变化趋势,推测这种趋势与不同地理区域内的土壤环境密切相关。5种具代表性土壤理化因子经一般、广义线性模型分别拟合7类多样性指数,结果显示不同土壤因子对7类多样性指数的影响多呈单峰或双峰状趋势且各不相同,表明不同地理区域内物种多样性受生态环境调节的复杂性。同时,物种成分(compositional)多样性与物种系统进化(phylogenetic)多样性间密切的相关性表明根瘤内生细菌群落内物种数目与种内相对个体数严格受菌株间亲缘关系的影响。另一方面,beta多样性分析结果显示:内生细菌群落间系统进化相似度受地理距离影响显著,表明种群间基因交流受地理距离屏障效应的影响,即扩散限制效应(distance-decay);同时,群落间物种成分相似度与环境差异度的显著相关性说明群落间物种数目和种群规模的不同主要因环境差异所致。对应分析(correspondence analysis)显示,9个样地群落可划分为三个生态区,多元统计分析证明三个生态区之间群落成分差异显著;同时,除气候条件外,土壤指标与地理距离在三个生态区之间也存在显著性差异,说明土壤类型与地理距离可能是造成三个生态区间群落差异的主要环境因素。我们利用随机扩增片段多态性(RAPD)图谱,结合多元统计方法,以菌株作群落OTUs进行菌群生物地理模式分析,结果显示菌株RAPD类型同样存在以三个生态区为簇群的生物地理模式。基于进化角度,我们发现菌株为适应特定生态环境,基因组中某些随机片段趋于分化选择或净化选择从而导致RAPD类型呈现一定地理模式格局。为阐明不同生态区群落进化与环境间关系,我们抽取155株分布于13个优势种群的菌株,对它们的rec A和atp D基因作测序分析,利用所得155条rec A-atp D序列构建贝叶斯树,通过计算菌株两两间末端枝长,得到菌株间系统进化差异矩阵,将此矩阵结合环境变量,做限制对应分析(CCA),结果说明:1)三大生态区之间其群落进化差异显著,表明155株菌在进化上受不同生态区不同环境因素制约,这与前述结论一致;2)土壤全钾和空间距离(PCNM向量)作为三大生态区之间群落成分差异主要决定因素,表明内生细菌间功能基因进化相似度主要受土壤盐浓度、菌株间地理距离的远近程度所调节;3)从不同生态区群落与不同环境因素相关性趋势推测,生态区I为纯野生环境,土壤完全不受人为影响,因而此区群落结构主要受自然环境调节,同时,此区为高盐区,促使其群落内的菌群在功能基因进化上高度区别于其它两个生态区;生态区II为人工栽培环境,土壤理化性质变化频繁,植物营养供给充分,生态位较宽的Rhizobium radiobacter及优势种Rhizobium galegae在功能基因进化上较为适应此区环境,且作为生态区II的主要群落组分;生态区III群落结构主要受自然气候及地理距离影响,土壤盐浓度与生态区II差别不大,群落组分中固氮根瘤菌占主导,且与土壤N含量呈正相关,表明此区群落结构受生物因素调节显著。


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