不同園林植物根際土壤微生物群落代謝差異性研究

萬平平,劉胡楠,張文婕,王金花*,王軍,朱魯生

不同園林植物根際土壤微生物群落代謝差異性研究

萬平平1,劉胡楠2,張文婕2,王金花2*,王軍2,朱魯生2

1. 濟(jì)南市城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展服務(wù)中心, 山東 濟(jì)南 250014 2. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院;山東省高校農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 泰安 271018

為了分析園林植物根際土壤微生物對(duì)碳源代謝活性及利用特征的差異性，本文以濟(jì)南市植物園樣地中海棠、櫻花、月季、牡丹和臘梅5種不同植物根際土壤為研究對(duì)象，通過Biolog-ECO微平板法進(jìn)行了碳源利用能力研究。結(jié)果表明，反映土壤微生物碳源利用活性的指標(biāo)--平均顏色變化率（AWCD）呈現(xiàn)先增加后逐漸變緩的趨勢(shì)。此外，5種植物的根際土壤微生物均表現(xiàn)出對(duì)糖類、羧酸類和多聚類碳源具有較強(qiáng)的代謝能力。5種植物微生物群落間碳代謝存在顯著差異，櫻花的根際土壤微生物群落利用底物碳源的能力最強(qiáng)，牡丹和海棠相對(duì)較低。櫻花3種多樣性指數(shù)也明顯高于其他植物。本研究結(jié)果將有助于在城市綠化中選擇固碳效果更好的園林植物，為建設(shè)低碳園林提供一定的科學(xué)依據(jù)。

土壤微生物; 代謝; 差異性分析

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市環(huán)境遭到了嚴(yán)重破壞，尤其是碳排放量問題日漸嚴(yán)峻。城市園林是城市碳庫中的重要組成部分，不僅具有美學(xué)功能，還具有多種生態(tài)功能。園林植物的固碳作用是緩解城市碳排放過多的有效途徑之一[1]。

微生物是土壤中最活躍的組分，可以分泌多種酶來分解動(dòng)植物殘?bào)w和其它有機(jī)物，并加速碳的轉(zhuǎn)化和運(yùn)輸[2]。根際微生物是土壤與植物生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)交換的參與者，其生長繁殖受植物養(yǎng)分利用及根系分泌物的影響，對(duì)土壤微生物群落進(jìn)行研究能夠豐富土壤微生物生態(tài)學(xué)理論[3-6]。

Biolog-ECO微平板法能測(cè)定微生物群落對(duì)不同碳源的代謝能力[7]。張明莉等[8]用Biolog-ECO微平板法研究發(fā)現(xiàn)入侵植物意大利蒼耳的功能多樣性顯著高于本地植物蒼耳。吳蘭等[9]用Biolog-ECO微平板法分析不同濕地土壤微生物的碳代謝，發(fā)現(xiàn)不同濕地土壤中的微生物對(duì)碳源利用能力也表現(xiàn)出顯著差異。尚方劍等[10]用Biolog-ECO微平板法分析墨西哥香草蘭、帝皇香草蘭、大香草蘭、大花香草蘭根際土壤微生物群落功能多樣性，發(fā)現(xiàn)帝皇香草蘭根際土壤微生物群落功能多樣性最高。

近年來，國內(nèi)外對(duì)植物根際生態(tài)環(huán)境的研究取得了一定的進(jìn)展[11-15]，但對(duì)城市園林植物根際微生物的研究仍為較為薄弱的一環(huán)。本研究以海棠、櫻花、月季、牡丹和臘梅等5種常見的城市園林植物為研究對(duì)象，利用Biolog-ECO微平板法，探討不同植物根際土壤微生物群落的碳代謝特征。旨在豐富人們對(duì)于城市園林植物根系環(huán)境對(duì)微生物群落影響的理解，為低碳園林生態(tài)建設(shè)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地位于濟(jì)南市區(qū)東郊35 km處濟(jì)南植物園（117°27'24″，36°36'47″）。試驗(yàn)點(diǎn)屬于暖溫帶半濕潤季風(fēng)型氣候，四季分明，年均氣溫13.8 ℃，年均降水量685 mm，無霜期178 d。

1.2 研究方法

采集濟(jì)南市植物園中海棠、櫻花、月季、牡丹和臘梅5種不同植物的根際土壤，用Biolog-ECO微平板法進(jìn)行測(cè)定。取10 g新鮮土壤放入250 mL錐形瓶中，加入90 mL 85%無菌水，振蕩30 min，制成土壤懸液，吸取上清液并稀釋為10-3g·mL-1，在超凈工作臺(tái)中進(jìn)行接種。于25 ℃培養(yǎng)箱培養(yǎng)7 d。每隔24 h用酶聯(lián)儀測(cè)定590 nm下的吸光度值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究采用平均顏色變化率（Average well color development，AWCD）在96 h的數(shù)據(jù)計(jì)算Biolog-ECO平板中土壤微生物群落利用碳源的整體能力。選用Shannon指數(shù)（）、Simpson指數(shù)（）和McIntosh指數(shù)（）來表征微生物群落多樣性。計(jì)算方法[9]如下：

Simpson 指數(shù)=；

式中：C表示第孔的OD值；表示對(duì)照孔的OD值；n表示第孔的相對(duì)吸光度值；P表示第孔中的吸光度值與除去對(duì)照孔的吸光度值總和的比值。

通過Excel對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用SPSS 26.0進(jìn)行單因素分析，使用Excel 2019和Origin 2022繪圖。

2 數(shù)據(jù)與分析

2.1 不同園林植物根際土壤微生物碳代謝活性變化

AWCD值可以表征微生物群落碳源代謝活性的變化[16]。如圖1（A）所示，5種植物根際土壤微生物AWCD值在培養(yǎng)時(shí)間內(nèi)逐漸增高。24 h內(nèi)變化不明顯，24～120 h AWCD值呈指數(shù)型生長，之后增加速度減慢，進(jìn)入穩(wěn)定期。本研究選取96 h AWCD值進(jìn)行分析。由圖1（B）對(duì)比96 h時(shí)5種植物根際土壤的AWCD值發(fā)現(xiàn)，5種植物的AWCD值大小順序是：櫻花＞月季＞臘梅＞牡丹＞海棠。也就是說，櫻花的根際土壤微生物群落對(duì)底物碳源的總體利用能力最強(qiáng)，AWCD值為1.02，其次是月季和臘梅，牡丹和海棠相對(duì)較低。

圖 1 不同園林植物根際土壤微生物對(duì)整體碳源利用趨勢(shì)（A）及培養(yǎng)96 h后平均顏色變化率（B）

如表1所示，為進(jìn)一步了解微生物群落的整體動(dòng)態(tài)變化，比較了5種園林植物土壤培育96 h時(shí)的微生物群落多樣性指數(shù)?？傮w來看，多樣性指數(shù)的大小順序是：櫻花＞臘梅＞月季＞海棠＞牡丹，其中櫻花和臘梅的多樣性指數(shù)均顯著高于其他植物根際土壤（＜0.05），牡丹的H指數(shù)明顯低于其他植物。

表 1 不同植物根際土壤中微生物群落的多樣性指數(shù)

注:同一列數(shù)據(jù)后英文小寫字母不同表示處理間某指標(biāo)差異達(dá)0.05顯著水平。

Note: Different small letters indicate significant differences at＜0.05.

2.2 不同園林植物根際土壤微生物碳源利用特征

圖 2 不同園林植物根際土壤微生物的碳源利用特征

注：紅色表示對(duì)應(yīng)樣本中AWCD值較高的碳源，藍(lán)色表示AWCD值較低的碳源；橫向表示為樣品信息，右側(cè)縱向表示不同碳源。

Note: Red indicates the carbon source with a higher AWCD value in the corresponding sample, blue indicates the carbon source with a lower AWCD value, the horizontal indicates the sample information.

將96 h測(cè)定的AWCD值按照不同碳源利用特征進(jìn)行熱圖繪制，如圖2所示，5種植物均可將以L-天門冬酰胺、L-精氨酸、N-乙酰-D葡萄糖氨和D-甘露醇等為碳源的功能微生物顯著富集。不同植物根際土壤微生物對(duì)碳源的利用也不同。與其他幾種植物相比，櫻花根際土壤中微生物對(duì)D-纖維二糖和肝糖的利用能力較高，對(duì)吐溫80、丙酮酸甲酯利用程度則處于較低水平；海棠根際土壤微生物對(duì)吐溫80、L-精氨酸以及r-羥丁酸有較高的利用能力。

圖 3 不同園林植物根際土壤微生物對(duì)碳源的相對(duì)利用程度

Biolog-ECO微平板上的31種碳源可分為六大類（多聚類、碳水化合物類、酚酸類、羧酸類、氨基酸類、胺類）。如圖3所示，5種植物根際土壤微生物均表現(xiàn)出對(duì)糖類、羧酸類和多聚類碳源利用的偏好性；而對(duì)酚類、胺類和氨基酸類表現(xiàn)較低的利用能力。櫻花和月季兩種植物的根際土壤微生物對(duì)糖類碳源利用率更高，分別占其總碳源利用率的40%和39%，與其他植物相比，牡丹對(duì)糖類的利用程度較低，僅占28%。

2.3 不同園林植物根際土壤微生物群落主成分分析

圖4 土壤微生物群落對(duì)碳源利用的主成分分析

注: 圖中編號(hào)1-31代表31種不同的碳源，詳見表2 編號(hào)項(xiàng)。

Note: Numbers1-31in the figure above represent 31 different carbon sources, as detailed in Table 2 Number item.

將96 h時(shí)的AWCD值進(jìn)行主成分分析，共提取了PC1和PC2兩個(gè)主成分?？偨忉尪冗_(dá)到77.2%，其中PC1解釋度為56.3%，PC2解釋度為20.9%。從圖4可以了解到，各類碳源均分布在一、四象限，坐標(biāo)系中對(duì)PC1正軸投射最大的為D-甘露醇、N-乙酰-D葡萄糖氨，均為糖類碳源；對(duì)PC2正軸投射最大的是吐溫80、丙酮酸甲酯；對(duì)PC2負(fù)軸投射最大的是α-丁酮酸。

不同園林植物的根際土壤在主成分坐標(biāo)中存在明顯的分布差異：櫻花根際土代表點(diǎn)位于第一象限，月季和牡丹根際土代表點(diǎn)位于第二象限，海棠根際土代表點(diǎn)位于第三象限，臘梅根際土代表點(diǎn)位于第四象限。其中臘梅與月季根際土代表點(diǎn)相對(duì)較近，說明這五種不同園林植物根際土壤微生物的碳源利用能力雖存在差異，但臘梅與月季對(duì)碳源利用能力較接近，這與上述整體碳源利用趨勢(shì)和多樣性指數(shù)分析結(jié)果一致。通過分析表2可知：31種碳源都與PC1都呈正相關(guān)，PC1可能代表各類土壤中的微生物群落對(duì)碳源利用的差異程度，對(duì)比六類碳源的相關(guān)系數(shù)可得知這些根際土壤中的微生物更傾向于利用糖類碳源。有18種碳源與PC2成正相關(guān)，因此推測(cè)PC2可能是不同土壤的微生物對(duì)碳源利用的相似性。

表 2 31種碳源與2個(gè)主成分間的相關(guān)系數(shù)

2.4 不同園林植物根際土壤微生物碳源利用的相關(guān)性分析

為進(jìn)一步了解土壤微生物群落對(duì)各碳源利用及多樣性的關(guān)系，如圖4所示，本研究通過對(duì)多聚物類、糖類、酚酸類、羧酸類、氨基酸類、胺類的利用及AWCD值、三個(gè)多樣性指數(shù)（、和）的相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)除指數(shù)與酚酸類、羧酸類、氨基酸類與胺類相關(guān)性不明顯或呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)外，其余碳源及微生物群落多樣性均呈現(xiàn)正相關(guān)。

圖5 不同園林植物根際土壤微生物的相關(guān)性分析

3 討論

賈鵬麗等[17]認(rèn)為土壤微生物一般需要24～48 h來實(shí)現(xiàn)代謝的增長，在培養(yǎng)過程中，碳源代謝利用能力增強(qiáng)，但不同土壤利用類型下的代謝速率不同。本實(shí)驗(yàn)AWCD曲線研究結(jié)果也符合這一規(guī)律，與曹小青[18]、韋錦堅(jiān)[19]等研究結(jié)果相同。朱澳云等[20]對(duì)六種觀賞植物根際土壤微生物菌群結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)日本櫻花與其他觀賞樹木土壤樣本中根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)差距較大。在本研究中，櫻花根際微生物對(duì)整體碳源的利用趨勢(shì)一直處于較高水平，可能是櫻花的根際土壤微生物與其他樣本有較大的差別，存在能充分利用Biolog-ECO板中碳源的微生物。同時(shí)，月季和臘梅的AWCD值和多樣性指數(shù)（、和）差異不顯著，意味著這兩種植物根際微生物對(duì)土壤碳源的利用情況相似。而在主成分分析中，月季與臘梅距離都接近PC2軸，說明土壤微生物利用碳源的種類和數(shù)量基本相同，海棠和牡丹也是如此。主成分分析圖中各樣品點(diǎn)間距離越近表示相似度越高[21]。觀察各樣品點(diǎn)至PC1軸的投射，櫻花距離最遠(yuǎn)，在5種植物中，櫻花的固碳能力最強(qiáng)。

櫻花、月季均為薔薇科植物，對(duì)D-纖維二糖都表現(xiàn)出了較強(qiáng)的利用能力，但96 h時(shí)AWCD值也存在差異性（＜0.05）。5種植物根際微生物均對(duì)糖類、羧酸類碳源有較強(qiáng)的利用能力，說明這兩類碳源在土壤中含量較高。羧酸類碳源利用率較高且樣地土壤呈堿性，推測(cè)是植物分泌的羧酸類化合物可以酸化土壤環(huán)境，有利于微生物生長。酚酸類碳源利用程度都較低，可能是因?yàn)槲⑸锞哂薪到夥铀岬淖饔肹22]。

相關(guān)性分析結(jié)果表明，除優(yōu)勢(shì)度指數(shù)與酚酸類、羧酸類、氨基酸類與胺類相關(guān)性不明顯或呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性外，其余碳源及微生物群落多樣性均呈現(xiàn)正相關(guān)性。其中多樣性指數(shù)與AWCD值呈現(xiàn)出極顯著正相關(guān)。由此可見，微生物群落對(duì)碳源的利用能力與微生物群落功能多樣性密切相關(guān)。本研究土壤原始理化性質(zhì)相同，但由于種植不同園林植物，其根系分泌物與養(yǎng)分吸收差異影響土壤性質(zhì)[23]。根據(jù)培養(yǎng)96 h時(shí)的AWCD值計(jì)算土壤微生物群落的多樣性指數(shù)（、和），櫻花3種多樣性指數(shù)都較高，表明其根際土壤微生物群落種類最多且較均勻。通常認(rèn)為，土壤固碳能力依賴于固碳菌群和作物生物量，這也說明了櫻花的固碳能力較強(qiáng)。

本研究中通過Biolog-ECO微平板法測(cè)定了5種園林植物根際微生物群落的組成與代謝的差異性，確定5種植物根際微生物群落碳代謝特征，并推測(cè)其固碳能力。在規(guī)劃城市綠地時(shí)，應(yīng)考慮到綠地固碳效益，增加固碳能力相對(duì)較強(qiáng)的園林植物種類。在接下來的研究中，綜合應(yīng)用分子生物學(xué)和代謝組學(xué)方法，分析不同植物和土壤微生物之間的關(guān)系，進(jìn)一步了解城市園林植物根際生態(tài)系統(tǒng)，促進(jìn)綠色城市生態(tài)建設(shè)。

4 結(jié)論

5種園林植物土壤微生物群落均對(duì)糖類和羧酸類碳源利用程度較高，櫻花和月季均屬于薔薇科植物，根際微生物群落對(duì)D-纖維二糖、β-甲基-D-葡萄糖苷等碳源具有相似的代謝特征，但代謝強(qiáng)度間存在顯著性差異（＜0.05）。試驗(yàn)結(jié)果表明，櫻花的微生物多樣性指數(shù)顯著高于其他植物根際土壤，可能是其根系分泌物促進(jìn)了對(duì)碳源高度利用的微生物的生長繁殖，固碳能力也相對(duì)較強(qiáng)。

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Study on the Metabolic Differences of Inter-root Soil Microbial Communities from Different Landscape Plants

WAN Ping-ping1, LIU Hu-nan2, ZHANG Wen-jie2, WANG Jin-hua2*, WANG Jun2, ZHU Lu-sheng2

1.250014,2.271018, C

In order to analyze the variability of the metabolic activity and utilization characteristics of carbon sources by inter-root soil microorganisms of garden plants, five different plants, namely,,sp,Jacq,Andrand(L.)Link, were used in the Jinan Botanical Garden to study the utilization capacity of carbon sources using the Biolog-ECO microplate method. The results showed that the average color change rate (AWCD), the change trend was increasing and then gradually slowing down. In addition, the inter-rhizosphere soil microorganisms of all five species of plants showed strong metabolic ability for sugar, carboxylic acid and polymorphic carbon sources, The study showed that there were significant differences in carbon metabolism among the five plant microbial communities, with the inter-rhizosphere soil microbial community ofsphaving the strongest overall utilization of substrate carbon sources andAndrandbeing relatively lower. The diversity index of the three species ofspwas also significantly higher than that of other plants. The results of this study will help to select garden plants with better carbon sequestration effect in urban greening and provide some scientific basis for the construction of low-carbon gardens.

Soil microorganisms; metabolism; different analysis

S154.34

A

1000-2324(2022)02-0246-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2022.02.010

2022-03-12

2022-04-12

山東省自然科學(xué)基金(ZR2016JL029,JQ201711)

萬平平(1978-),女,研究生,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)橹参锉Ｗo(hù). E-mail:45148557@qq.com

Author for correspondence. E-mail:wjh@sdau.edu.cn