內(nèi)蒙古荒漠草原可培養(yǎng)放線菌的空間分布特征

賈美清，劉成寶，許 帥，李 陽，韓國棟，金寶花，鄒 玉，張國剛

（1.天津師范大學(xué) a.天津市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b.生命科學(xué)學(xué)院，天津 300387；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，呼和浩特 010019）

內(nèi)蒙古荒漠草原可培養(yǎng)放線菌的空間分布特征

賈美清1a，劉成寶1b，許 帥1b，李 陽1b，韓國棟2，金寶花1b，鄒 玉1b，張國剛1b

（1.天津師范大學(xué) a.天津市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，b.生命科學(xué)學(xué)院，天津 300387；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，呼和浩特 010019）

為了解土壤放線菌在內(nèi)蒙古荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)中的功能，運(yùn)用稀釋平板涂布法和16SrRNA分子鑒定技術(shù)對該地區(qū)土壤可培養(yǎng)放線菌的空間分布及其與土壤環(huán)境的相關(guān)性進(jìn)行分析.結(jié)果表明：0～10cm土層中可培養(yǎng)放線菌的數(shù)量最多，達(dá)到43.33×104～63.33×104CFU/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過另外2個(gè)土層；其次是10～20cm土層，其放線菌數(shù)量略高于20～30cm土層的數(shù)量.從0～30cm土層中共分離到26個(gè)放線菌菌株，其中15個(gè)菌株成功測序，屬于鏈霉菌科的鏈霉菌屬.0～30cm土壤中的優(yōu)勢菌為藍(lán)色鏈霉菌，數(shù)量比例達(dá)到51.00%.可培養(yǎng)放線菌的數(shù)量與土壤含水量、速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)，與pH值呈負(fù)相關(guān)（P＜0.01），與土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的相關(guān)關(guān)系（P＞0.05）.

內(nèi)蒙古荒漠草原；可培養(yǎng)放線菌；16S rRNA；土壤環(huán)境

荒漠草原是內(nèi)蒙古草原的重要組成部分，也是我國重要的畜牧業(yè)基地，面積約1 130萬公頃，占內(nèi)蒙古草原區(qū)草地面積的10.7%，是草原區(qū)向荒漠區(qū)過渡的草原生態(tài)類型[1].荒漠草原處在一個(gè)脆弱的生態(tài)環(huán)境帶上，與其他草原類型相比，其穩(wěn)定性較差，對自然和人為的干擾較敏感[2].近年來，由于氣候變化和人類不合理的開發(fā)利用，如過度放牧等，荒漠草原退化加劇，直接威脅著草地的畜牧業(yè)生產(chǎn)和人類自身在此地的生存環(huán)境.目前，國內(nèi)外學(xué)者對內(nèi)蒙古荒漠草原進(jìn)行了大量研究，在植被和生產(chǎn)力、氣候變化對草原生態(tài)系統(tǒng)、群落結(jié)構(gòu)和土壤呼吸的影響等方面[3-7]取得了很大進(jìn)展.在草原土壤微生物的生物量研究等方面也取得了一些成果[8-9]，但缺乏從純培養(yǎng)角度進(jìn)行的放線菌在荒漠草原土壤中空間分布的研究.

土壤放線菌廣泛存在于各種類型土壤中，甚至在非洲沙漠、北極永久凍土層、重金屬污染地區(qū)以及營養(yǎng)貧乏環(huán)境中都有放線菌的存在.放線菌參與有機(jī)物質(zhì)的分解和異養(yǎng)營養(yǎng)素循環(huán)，可以產(chǎn)生胞外酶分解多種蛋白質(zhì)和脂類，也是抗生素等藥物的主要來源.特殊生境中的放線菌在長期適應(yīng)過程中可調(diào)整其次級代謝過程，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)新穎、活性獨(dú)特的次級代謝產(chǎn)物，是重要的微生物資源之一[10].本研究運(yùn)用稀釋平板法和16S rRNA分子鑒定技術(shù)對內(nèi)蒙古荒漠草原可培養(yǎng)放線菌的數(shù)量、物種組成及其與土壤環(huán)境的相關(guān)性進(jìn)行分析，了解荒漠草原可培養(yǎng)放線菌的組成和空間分布，為放線菌在荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)中的功能研究奠定基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 樣地概況

樣地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部城市烏蘭察布西北部的四子王旗（41°10′～43°22′N，110°20′～113°E），海拔1 456 m，植被類型為荒漠草原.該地區(qū)氣候類型為中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為3.4℃，6、7和8月份的月平均氣溫最高，多年平均值分別為21.5、24.0和23.5℃，≥10℃的年積溫為2 200～2 500℃.多年平均降雨量為248 mm，年均蒸發(fā)量為2 947 mm，降水量主要集中在 6—9月份，占全年降水總量的70%以上.

1.2 樣品采集和處理

土壤樣品于2012年8月采自內(nèi)蒙古四子王旗地區(qū).在四子王旗隨機(jī)設(shè)置6個(gè)1 m×1 m的樣方，樣方間隔2 m.在每個(gè)樣方內(nèi)用對角線采樣法設(shè)4個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)用土鉆采集0～10、10～20、20～30 cm的土樣各約50 g，分層混勻，采用四分法從每層混勻的土樣中取1份.將所取土樣分別均分為2份，用封口塑料袋密封，低溫4℃下帶回實(shí)驗(yàn)室，一份立即進(jìn)行土壤理化性質(zhì)的測定，另一份置于冰箱中，冷凍條件下保存?zhèn)溆?

1.3 儀器和試劑

1.3.1 儀器

連續(xù)流動(dòng)分析儀（AA3，德國Seal公司）；酸度計(jì)（PB-10，德國Sartorius公司）；透射防護(hù)蓋紫外分析儀及成像系統(tǒng)（UV215型，上海領(lǐng)成生物科技有限公司）；PCR儀（TC-960F，瑞士Blue Marlin公司）；紫外可見分光光度計(jì)（T6系列，北京普析通用儀器有限公司）；火焰光度計(jì)（fp6431型，上海精密科學(xué)儀器有限公司）.

1.3.2 試劑

Ezup柱式基因組DNA提取試劑盒（生工生物工程（上海）股份有限公司）；EB染液（上海經(jīng)科化學(xué)科技有限公司）.

1.4 土壤理化性質(zhì)的測定

按照文獻(xiàn)[11]的方法進(jìn)行土壤理化性質(zhì)的分析測定：采用電位法測定土壤浸提液的pH，浸提液的質(zhì)量濃度為0.4 mg/L；使用流動(dòng)分析儀測定土壤浸提液的銨態(tài)氮和硝態(tài)氮，浸提液的質(zhì)量濃度為0.2 g/L；采用105℃烘干比重法測定土壤含水量；采用重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法測定土壤有機(jī)質(zhì)含量；采用NaHCO3浸提土壤速效磷，鉬藍(lán)比色法測定速效磷含量；采用NH4OAC浸提速效鉀，火焰光度法測定速效鉀含量.

1.5 土壤可培養(yǎng)放線菌的分離培養(yǎng)

采用高氏一號培養(yǎng)基培養(yǎng)土壤放線菌.取0.5 g土樣置于裝有100 mL無菌水和無菌玻璃珠的錐形瓶中，150 r/min振蕩30 min.取土壤懸液進(jìn)行梯度濃度稀釋，土壤懸液的質(zhì)量濃度為1×10-4g/mL時(shí)放線菌計(jì)數(shù)的菌落數(shù)范圍為30～300個(gè)，該質(zhì)量濃度即為培養(yǎng)放線菌的土壤懸液最佳濃度.取0.2 mL該質(zhì)量濃度下的土壤懸液，均勻涂布到直徑為90 mm的平板上，同一樣品分別設(shè)置3個(gè)重復(fù).將平板置于28℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)7 d后，參考文獻(xiàn)[12-14]進(jìn)行放線菌的初步鑒定，并根據(jù)菌落特征對其進(jìn)行分類、編號和菌落計(jì)數(shù).最后挑選生長良好的菌落進(jìn)行分離和純化.

1.6 土壤可培養(yǎng)放線菌的分子鑒定

1.6.1 土壤可培養(yǎng)放線菌的16S rRNA的PCR擴(kuò)增

挑取有代表性的放線菌菌株，用DNA提取試劑盒來提取菌落的DNA，以其為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增.引物為27F（5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′）和1492R

（5′-TACGGCTACCTTGTT ACGACTT-3′）.PCR反應(yīng)體系為50μL：10×EsBuffer（含Mg2+）5μL，dNTP4μL（各2.5 mmol/L），上游引物2 μL，下游引物2 μL，Tap Es DNA聚合酶0.5 μL（5 U/μL），模板10 μL（10 ng/μL），加超純水至50 μL.PCR反應(yīng)程序：94℃預(yù)變性5 min，94℃1 min、55℃45 s、72℃45 s，30次循環(huán)，最后72℃下延伸10 min.擴(kuò)增后的PCR產(chǎn)物用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%的瓊脂糖凝膠電泳檢測.

1.6.2 PCR產(chǎn)物測序分析

將電泳檢測出的放線菌16S rRNA條帶的PCR產(chǎn)物送交北京六合華大基因科技股份有限公司進(jìn)行測序.將測序結(jié)果與GenBank數(shù)據(jù)庫（http：//www.ncbi. nlm.nih.gov）進(jìn)行比對，下載高質(zhì)量的最相似的序列進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析.

1.7 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件處理數(shù)據(jù)，使用Spss13.0軟件進(jìn)行單因素方差（One-Way ANOVA）分析.采用LSD法比較不同土層中可培養(yǎng)放線菌數(shù)量的差異和土壤理化因子的差異是否具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；利用Pearson相關(guān)檢驗(yàn)各土壤理化因子與可培養(yǎng)放線菌的數(shù)量是否存在有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的相關(guān)性.

2 結(jié)果

2.1 可培養(yǎng)放線菌的數(shù)量

考察內(nèi)蒙古荒漠草原土壤不同深度土層中的可培養(yǎng)放線菌的數(shù)量，結(jié)果如圖1所示.

圖1 不同土層可培養(yǎng)放線菌的數(shù)量Fig.1 Numberofculturableactinomycetesindifferentsoillayer

0～30cm土層中的可培養(yǎng)放線菌總量為60×104～108×104CFU/g.由圖1可以看出，0～10 cm土層數(shù)量最多，為43.33×104～63.33×104CFU/g，同其他土層的差異具有高度統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.01）；10～20 cm土層的數(shù)量下降幅度較大，為7.67×104～27.67×104CFU/g；20～30 cm土層的可培養(yǎng)放線菌數(shù)量略低于10～20 cm土層的數(shù)量，為8.63×104～20.03×104CFU/g.由此可見，土壤中的可培養(yǎng)放線菌主要集中在0～10 cm土層，隨著土層深度的增加，數(shù)量急劇下降.

2.2 可培養(yǎng)放線菌的結(jié)構(gòu)特征

對分離出的可培養(yǎng)放線菌進(jìn)行形態(tài)特征和16S rRNA基因序列的系統(tǒng)發(fā)育分析，結(jié)果如表1所示.

表1 分離出的土壤可培養(yǎng)放線菌與其關(guān)系最近的典型菌株間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系Tab.1 Phylogenetic similarity between isolated culturable actinomycetes and their closest type strains

由表1可以看出，從內(nèi)蒙古荒漠草原0～30 cm土壤中共分離到26個(gè)放線菌菌株.其中15個(gè)菌株成功測序，占已分離到的菌株種數(shù)的57.69%.通過形態(tài)特

征與基因序列分析，證實(shí)15個(gè)菌株均屬于鏈霉菌科（Streptomycetaceae）、鏈霉菌屬（Streptomyces）.這些菌株在GenBank上與最相似菌株的相似度均大于98%.有11個(gè)菌株由于測序失敗，因此定為未知菌株.

2.3 可培養(yǎng)放線菌在土壤中的分布

分析不同放線菌菌株在土壤中的分布情況，結(jié)果如表2所示.

表2 可培養(yǎng)放線菌所占比例Tab.2 Percentage of strains of culturable actinomycetes

由表2可以看出，在已明確分類地位的土壤放線菌菌株中，菌株FXJ1、FXJ14、FXJ20、FXJ39和FXJ61只分布在土壤的0～10 cm土層，其中菌株FXJ1和FXJ14的數(shù)量比例分別為3.13%和1.90%，其他3個(gè)菌株的數(shù)量比例均為1.30%.菌株FXJ3、FXJ33和 FXJ54只分布在0～20 cm土層.菌株FXJ2、FXJ18、FXJ21、FXJ38和FXJ73在0～30 cm的各土層中均有分布.在0～10 cm土層中，菌株FXJ73、FXJ2和FXJ54是可培養(yǎng)的優(yōu)勢菌群；在10～20 cm土層中，菌株FXJ2、FXJ18和FXJ21是可培養(yǎng)的優(yōu)勢菌群；在20～30 cm土層中，菌株FXJ73是可培養(yǎng)的優(yōu)勢菌群.在未知放線菌中，菌株FXJ11、FXJ62、FXJ67只在0～10 cm土層中有分布；菌株FXJ10、FXJ19、FXJ35、FXJ43、FXJ70在各土層中均有分布；菌株FXJ15和FXJ12在0～10cm和20～30cm土層內(nèi)有分布，并且在20～30cm土層內(nèi)的數(shù)量高于0～10 cm土層.分析不同土層中的優(yōu)勢菌群，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在0～10 cm土層內(nèi)，F(xiàn)XJ35和FXJ67為優(yōu)勢菌群；在10～20cm土層內(nèi)，菌株FXJ10和FXJ70為優(yōu)勢菌群；在20～30 cm土層內(nèi)，菌株FXJ19和FXJ43為優(yōu)勢菌群.

總的來看，在0～30cm土層中，菌株FXJ73，即藍(lán)色鏈霉菌的數(shù)量比例最高，達(dá)到51.00%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他菌株；其次是未確定分類地位的FXJ10菌株，數(shù)量比例達(dá)到28.00%；再次是FXJ70、FXJ43和FXJ2，在土壤中的數(shù)量比例分別為25.88%、24.05%和24.11%.

2.4 可培養(yǎng)放線菌數(shù)量與土壤環(huán)境因子之間的關(guān)系

荒漠草原土壤理化性質(zhì)的測定結(jié)果如表3所示.由表3可以看出，研究區(qū)域的土壤呈弱堿性，而且0～10 cm土層的堿性相對較弱.含水量由上到下逐漸減少，尤其是從10～20 cm到20～30 cm土層，含水量下降幅度較大.硝態(tài)氮、速效磷和速效鉀的含量從上到下呈遞減趨勢，尤其是硝態(tài)氮和速效鉀的含量在不同土層中的差異較大.銨態(tài)氮在10～20 cm土層中含量最高，有機(jī)質(zhì)則是在0～10 cm土層中含量最高.

荒漠草原可培養(yǎng)放線菌的數(shù)量與土壤環(huán)境因子之間的相關(guān)性分析結(jié)果如表4所示.由表4可以看出，可培養(yǎng)放線菌的數(shù)量與土壤含水量、速效磷、速效鉀和有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)，相關(guān)性具有高度統(tǒng)計(jì)學(xué)意義P＜0.01），與pH值呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)性具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（0.01＜P＜0.05）.與銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量沒有相關(guān)性.

表3 不同深度土壤理化性質(zhì)Tab.3 Soil physicochemical characteristics in different soil layer

%

表4 可培養(yǎng)放線菌數(shù)量與土壤理化因子相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis between culturable actinomycetes and soil physical chemical factors

3 討論與結(jié)論

本研究以純培養(yǎng)方法和基于16S rRNA基因序列的系統(tǒng)發(fā)育分析對內(nèi)蒙古荒漠草原可培養(yǎng)放線菌的數(shù)量空間分布及其與土壤環(huán)境的相關(guān)性進(jìn)行探討.從0～30 cm土壤中共分離到26個(gè)菌株，其中15個(gè)菌株可確定到種，均屬于鏈霉菌屬；11個(gè)菌株由于測序失敗，無法明確其分類地位.本研究結(jié)果證實(shí)了鏈霉菌屬是荒漠草原可培養(yǎng)放線菌的優(yōu)勢類群，這與薛冬等[15]對肇慶星湖濕地可培養(yǎng)放線菌多樣性的研究以及李海云等[16]對河西走廊酒泉地區(qū)鹽堿土壤中可培養(yǎng)放線菌多樣性的研究結(jié)果一致.對不同土層中可培養(yǎng)放線菌的數(shù)量分布特征進(jìn)行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同土層中放線菌的數(shù)量分布趨勢為：0～10 cm＞10～20 cm＞20～30 cm.0～10 cm土層中可培養(yǎng)放線菌的數(shù)量顯著高于其他2個(gè)土層.這可能是由于0～10cm土層中的水分和養(yǎng)分相對豐富，土壤通氣性良好，即環(huán)境有利于放線菌的生長和繁殖，因此可培養(yǎng)放線菌數(shù)量最多.本研究中不同土層可培養(yǎng)放線菌的數(shù)量與土壤含水量、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量呈正相關(guān)，這也證實(shí)了放線菌在土壤中的空間分布主要受土壤環(huán)境的影響.

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（責(zé)任編校 紀(jì)翠榮）

Spatial distribution of culturable actinomycete in the desert steppe of Inner Mongolia，China

JIA Meiqing1a，LIU Chengbao1b，XU Shuai1b，LI Yang1b，HAN Guodong2，JIN Baohua1b，ZOU Yu1b，ZHANG Guogang1b
（1a.Tianjin Key Laboratory of Water Resources and Environment，1b.College of Life Sciences，Tianjin Normal University，Tianjin 300387，China；2.College of Ecology and Environmental Science，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010019，China）

To learn the function of soil actinomycete in the desert ecosystem in Inner Mongolia of China，the spatial distribution of culturable actinomycete and its correlation with soil factors were analyzed by dilution-plate method and 16S rRNA molecular identification technique.The results showed that the amount of actinomycete in 0-10 cm soil layer was 43.33× 104-63.33×104CFU/g，which was much more than those in 10-20 cm and 20-30 cm soil layers；the amount of actinomycete in 10-20 cm soil layer was in the second place，which was slightly more than that in 20-30 cm soil layer.26 strains were isolated from 0-30 cm soil，among which 15 strains were successfully sequenced and belonged to Streptomyces.Streptomyces cyaneus was the dominant strain in 0-30 cm soil layer，the percentage of which was up to 51.00%.The amount of culturable actinomycete was positively related to water content，available phosphorus，available potassium and soil organic matter content and negatively related with pH value，and the relationships had statistic significance（P＜0.01）.While it had no statistic correlations withandcontents of soil（P＞0.05）.

desert steppe of Inner Mongolia；culturable actinomycete；16S rRNA；soil environment.

Q142

A

1671-1114（2016）04-0050-05

2016-02-23

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31500365，31100330，31270502）；天津市科技支撐重點(diǎn)資助項(xiàng)目（15ZCZDSF00410）；天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（12JCYBJC19700）；天津市“用三年時(shí)間引進(jìn)千名以上髙層次人才”資助項(xiàng)目（5KQM110006）；天津師范大學(xué)引進(jìn)人才基金資助項(xiàng)目（5RL111）.

賈美清（1978—），女，實(shí)驗(yàn)師，主要從事土壤生態(tài)學(xué)方面的研究.

張國剛（1976—），男，副教授，主要從事土壤生態(tài)學(xué)方面的研究.