土壤類型對花生根際土壤細(xì)菌群落多樣性和產(chǎn)量的影響

徐揚(yáng) 張冠初 丁紅 秦斐斐 張智猛 戴良香

（山東省花生研究所，青島 266100）

花生（Arachis hypogaea L.）是世界重要的油料作物之一，不僅可提供優(yōu)質(zhì)食用植物油，還具有豐富的蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)等營養(yǎng)［1-2］。中國是世界上主要的花生生產(chǎn)國，總產(chǎn)、單產(chǎn)和產(chǎn)值均居世界第一。中國花生種植分布很廣，各地都有種植，主產(chǎn)區(qū)為河南、山東、河北、廣東、遼寧、四川、湖北、廣西、安徽、吉林、江西、湖南、福建、江蘇等省份［3-4］。因地域間社會、自然資源稟賦和土壤類型差異，花生長勢和產(chǎn)量不同。土壤是植物生長發(fā)育的基礎(chǔ)，不同類型的土壤理化特性和營養(yǎng)元素不同，供應(yīng)作物生長的養(yǎng)分存在差異，必然影響作物品質(zhì)和產(chǎn)量［5］。先前研究報道，不同土壤類型對花生根系生長、分布和產(chǎn)量均有影響，其中壤土較砂土和黏土具有更高的產(chǎn)量和有效果數(shù)［6］。不同土壤類型花生品質(zhì)也存在差異和區(qū)域性，朱振林等［7］研究表明不同土壤類型間各花生品質(zhì)指標(biāo)均有差異，脂肪和蛋白質(zhì)含量在地理空間分布上均呈明顯的變化趨勢，從北至南脂肪含量呈降低趨勢，而蛋白質(zhì)含量呈增高趨勢［8-9］。砂土土壤花生籽仁總糖、蔗糖含量和油酸/亞油酸比例明顯高于黏土［10］。另外不同土壤類型理化特性和營養(yǎng)元素也會影響植物根系外源分泌物，從而對根際微生物群落結(jié)構(gòu)有很大的調(diào)控作用［11-13］。但不同土壤類型理化特性及營養(yǎng)組成差異引起的花生根際微生物菌群結(jié)構(gòu)的空間分異與花生產(chǎn)量的關(guān)系尚不明確。研究花生與不同土壤類型根際微生物菌群結(jié)構(gòu)間的復(fù)雜關(guān)系，揭示花生生產(chǎn)的區(qū)域土壤優(yōu)勢差異，以更有針對性地調(diào)控花生生產(chǎn)，對繼續(xù)保持花生產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展至關(guān)重要。

植物根系向周圍土壤分泌化學(xué)物質(zhì)和養(yǎng)分，吸引大量的微生物（包括細(xì)菌和真菌），形成一個以植物根為主體核心，以植物-土壤-微生物相互作用形成的微生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)［14-16］。土壤類型對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和種群代謝功能產(chǎn)生重大影響，是影響根際細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)的重要因素之一［17-19］。相同土壤類型通過不同栽培措施和肥料配施調(diào)控土壤微生物和花生產(chǎn)量的研究結(jié)果已有報道。如輪作栽培模式能提高花生根表有益微生物假單胞菌（Pseudomonas sp.）和白地霉（Geotrichum candidum）的豐度，降低病原菌比例，較連作栽培模式下產(chǎn)量提高45.8%、根瘤數(shù)提高57.5%、植株生物量提高24.1%［20］。持續(xù)施用生物有機(jī)肥可以改良紅壤理化環(huán)境，進(jìn)而優(yōu)化連作花生根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)并提高根際抗病性能，提高產(chǎn)量［21］。鹽堿土施加鈣肥和Arbuscular Mycorrhizal Fungi（AMF）菌肥也會改變花生根際微生物菌群結(jié)構(gòu)，提高氮固定相關(guān)細(xì)菌鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）的相對豐度，增強(qiáng)花生耐鹽性，百果重提高17.04%［22］。但是不同土壤類型理化因子和營養(yǎng)組成差異引起的花生根際微生物菌群結(jié)構(gòu)的空間分異及其與花生產(chǎn)量的關(guān)系目前研究較少。本研究旨在探討不同花生主產(chǎn)區(qū)主要土壤類型對其根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量的影響。以不同花生主產(chǎn)區(qū)土壤（主要來源于河南、山東、河北、吉林、新疆和湖南等6個省份）為材料，設(shè)置盆栽實驗，以成熟期花生根際土壤為研究對象，利用高通量測序技術(shù)對土壤中細(xì)菌種類及多樣性進(jìn)行系統(tǒng)分析，結(jié)合莢果產(chǎn)量，探討不同土壤類型花生根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量的關(guān)系，明確土壤類型優(yōu)勢，旨在為研究花生根際土壤類型和菌群結(jié)構(gòu)平衡、優(yōu)質(zhì)花生生產(chǎn)提供參考，為花生主產(chǎn)區(qū)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)栽培提供依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材料

選擇花生品種花育25號（Huayu25）為試驗材料。供試土壤為河南焦作潮褐土（簡寫為焦作潮褐土）、山東沂南褐土（簡寫為沂南褐土）、河北灤縣褐土（簡寫為灤縣褐土）、吉林公主嶺黑土（簡寫為黑土）、新疆石河子棕鈣土（簡寫為棕鈣土）和湖南邵陽紅壤（簡寫為紅壤）6種。各土壤類型采集地區(qū)經(jīng)緯度、年平均氣溫和年平均降水量見表1，土壤類型營養(yǎng)成分和理化因子見表2。

表1 不同土壤經(jīng)緯度、年平均氣溫和年平均降水量Table 1 Different soils latitude and longitude，annual average temperature，and annual mean precipitation

表2 不同土壤類型營養(yǎng)成分和理化因子分析Table 2 Analysis of nutrient components and physicochemical factors in different soil types

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計 試驗于山東省花生研究所試驗站防雨棚中進(jìn)行，設(shè)置盆栽種植花生和盆栽不種植花生2個處理。采取的各地各類型土壤風(fēng)干、過篩（1 cm）后裝入同規(guī)格塑料盆中（底部直徑為36 cm，高為26 cm），每盆裝土18 kg。選取子粒飽滿均勻的花生種子，每盆播6粒，播深3 cm，出苗后留取長勢一致的幼苗4株，重復(fù)10次。5月10日播種，9月20日收獲，隔2日重量法補(bǔ)水，保持土壤濕度為田間持水量的75%-80%至收獲期。收獲時以多點混合采樣法分別采集各處理根際土壤樣本和非根際土壤樣品［23］。每3株花生根際土壤樣品和每3點采集的非根際土壤樣品分別混合為1個重復(fù)，每種土壤類型3次重復(fù)。6種土壤類型均設(shè)有對照非根際土和根際土。焦作潮褐土的非根際土和根際土樣品分別表示為HNCS、HNRS，沂南褐土非根際土和根際土樣品分別表示為SDCS、SDRS，灤縣褐土分別表示為HBCS、HBRS，黑土分別表示為JLCS、JLRS，棕鈣土分別表示為XJCS、XJRS，紅壤分別表示為HUCS、HURS。相關(guān)測試由上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司進(jìn)行。

1.2.2 土壤DNA提取及高通量測序 利用OMEGA土壤試劑盒（OMEGA soil DNA kit）對所采集的土壤樣本進(jìn)行DNA提取，Nanodrop 2000分光光度計測定DNA濃度，并根據(jù)260 nm/280 nm和260 nm/230 nm的比值評估DNA質(zhì)量，進(jìn)一步利用1.0%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA的完整性［24］。利用引物340F：5′-CCTACGGGNBGCASCAG-3′以 及805R：5′-GACTACNVGGGTATCTAATCC-3′，對土壤細(xì)菌16S rRNA基因V3-V4區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增。應(yīng)用HiSeq2500平臺進(jìn)行PE250測序。使用Trimmomatic［25］（version 0.33）對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量過濾，去除adapter和尾部質(zhì)量值20以下的堿基，然后使用Cutadapt［26］（version 1.9.1）按照允許最大錯配率20%，最小覆蓋度80%的參數(shù)進(jìn)行引物序列的識別與去除，其后使用USEARCH［27］（version 10）對雙端reads進(jìn)行拼接并去除嵌合體（UCHIME［28］version 8.1），最終得到高質(zhì)量的序列用于后續(xù)分析。相似度高于97%的定義為一個聚類操作分類單元（operational taxonomic units，OTUs），根據(jù)測序及計算結(jié)果進(jìn)行OTUs聚類和物種分類分析，然后在SILVA細(xì)菌16S rRNA數(shù)據(jù)庫（Release 119，http://www.arb-silva.de）中比對分析，得到每個樣本的OTUs分類學(xué)注釋結(jié)果［29］。

1.2.3 生物信息學(xué)分析 所有的測序數(shù)據(jù)在美吉I-Sanger云數(shù)據(jù)分析平臺上進(jìn)行在線數(shù)據(jù)分析（www.majorbio.com）。對根際土壤細(xì)菌群落多樣性和豐富度進(jìn)行α多樣性分析，包括繪制稀釋性曲線（rarefaction curve）、等級豐度曲線（rank abundance），以及Chao（度量豐富度）和Shannon指數(shù)（度量多樣性）分析［30］。稀釋性曲線趨于平緩或者達(dá)到平臺期時可認(rèn)為測序深度基本覆蓋到樣品中所有的物種［31］。等級豐度曲線可同時解釋樣品所含物種的豐富度和均勻度［32］。樣本間的β多樣性分析包括主坐標(biāo)分析（principal co-ordinates analysis，PCoA）、樣本層次聚類統(tǒng)計分析、相似性分析（ANOSIM），更深入挖掘樣本間的組成差異［33-36］。多組樣本菌群差異分析采用克氏秩和檢驗（Kruskal-Wallis H test），土壤細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)與土壤理化因子之間的相關(guān)性通過redundancy analysis（RDA）預(yù)測［37-38］。

1.2.4 莢果產(chǎn)量測定 于成熟期各處理分別收獲并選取代表性植株15株，摘取所有具有經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的莢果，自然曬干后考種、計產(chǎn)。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理 采用SPSS 18.0軟件中Student’s t-test（P=0.05）和單因素方差分析（One-Way ANOVA）進(jìn)行方差分析。利用Excel 2003和GraphPad Prism 7軟件作圖，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果

2.1 不同土壤類型營養(yǎng)成分和花生莢果產(chǎn)量

6種土壤類型具有不同的土壤營養(yǎng)成分和理化因子，表2顯示黑土具有較高的土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量；棕鈣土較其他類型土壤具有更高的速效鉀含量，但堿解氮含量較低；沂南褐土的速效磷含量高于其他土壤類型；而紅壤各指標(biāo)均較低。除紅壤pH較低（4.8）為酸性土外，其余各土類pH均在6.3（沂南褐土）以上，棕鈣土pH最高，為8.12。表3可以看出，不同地區(qū)莢果產(chǎn)量存在顯著性差異，黑土莢果產(chǎn)量最高，其次為棕鈣土和沂南褐土，紅壤花生百果重、百仁重以及莢果產(chǎn)量顯著低于其他幾種土壤類型。

表3 不同土壤類型對花生莢果產(chǎn)量的影響Table 3 Effects of soil types on pod yield of peanut

2.2 α多樣性分析

2.2.1 稀釋性曲線和等級豐度曲線 α多樣性分析可以檢測土壤細(xì)菌群落的豐富度和多樣性，其中稀釋性曲線可以用來評價測序量是否足以覆蓋所有類群，并間接反映樣本中物種的豐富程度。圖1-A所示，各樣本在測序量達(dá)到8 000時，所有土壤樣本曲線均趨于平緩，說明測序深度足夠，基本覆蓋所測樣本內(nèi)的所有物種。等級豐度曲線能直觀地顯現(xiàn)各樣本物種的均勻度和豐富度，如圖1-B所示，當(dāng)OTU數(shù)量大于1 000時曲線較為平緩，物種分布較均勻。

2.2.2 Chao和Shannon指數(shù)分析 對6種土壤樣本的細(xì)菌α多樣性指數(shù)分析結(jié)果表明，黑土和紅壤細(xì)菌的豐富度（Chao指數(shù)）低于其他地區(qū)土壤樣本，并以紅壤的豐富度最低，且該土壤細(xì)菌多樣性（Shannon指數(shù)）也較低，而灤縣褐土細(xì)菌豐富度和多樣性均較高。另外，焦作潮褐土和棕鈣土的土壤樣本細(xì)菌多樣性也較高（圖1-C、D）。綜合分析，紅壤細(xì)菌豐富度和多樣性均低于其他土壤類型，推測紅壤環(huán)境較不利于土壤細(xì)菌生長繁殖。

圖1 α多樣性分析Fig.1 α diversity analysis

2.3 物種組成及樣本間差異比較

2.3.1 全樣本門水平菌群結(jié)構(gòu)分析 由圖2可見，各土壤樣本均以放線菌門（Actinobacteria）、變形菌門（Proteobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）、酸桿菌門（Acidobacteria）及芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）等為共有優(yōu)勢菌門，其相對豐度之和占總菌量的80%以上，但在不同類型土壤樣本中存在明顯的菌群豐度差異。焦作潮褐土、沂南褐土、灤縣褐土、黑土以及棕鈣土中放線菌門和變形菌門均較豐富，但是紅壤中這些菌門的相對豐度顯著低于其他地區(qū)土壤樣本，綠彎菌門是其最豐富的細(xì)菌門類，占總菌量的33.7%-52.3%。另外，根際土與非根際土細(xì)菌門豐度間有差異，紅壤根際土與非根際土各細(xì)菌菌門（包括放線菌門、變形菌門、綠彎菌門、酸桿菌門、芽單胞菌門以及厚壁菌門）豐度變化比其他地區(qū)大。灤縣褐土、黑土和棕鈣土3地區(qū)根際土酸桿菌門相對豐度低于非根際土，而變形菌門相對豐度高于非根際土。紅壤根際土中放線菌門、變形菌門、酸桿菌門和芽單胞菌門相對豐度高于非根際土，但是酸桿菌門相對豐度低于非根際土。

圖2 門水平各樣本細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)Fig.2 Bacterial community structure of each sample at the phylum level

2.3.2 全樣本綱、目、科水平菌群結(jié)構(gòu)分析 綱水平的分析結(jié)果（圖3-A）顯示，除紅壤外，其他地區(qū)土壤優(yōu)勢菌綱主要為放線菌綱（Actinobacteria）、α-變 形 菌 綱（Alphaproteobacteria）、γ-變 形 菌 綱（Gammaproteobacteria）、Subgroup_6和 芽 單 胞 菌綱（Gemmatimonadetes）。紅壤優(yōu)勢菌綱為放線菌綱（Actinobacteria）、α-變形菌綱（Alphaproteobacteria）、纖線桿菌綱（Ktedonobacteria）、TK10和AD3（圖3-A）。目水平的分析結(jié)果（圖3-B）顯示，除紅壤外，其他地區(qū)土壤優(yōu)勢菌目主要為Gaiellales、根瘤菌目（Rhizobiales）、β-變形菌目（Betaproteobacteriales）、norank_c__Subgroup_6和鞘脂單胞菌目（Sphingomonadales），紅壤優(yōu)勢菌目為芽孢桿菌目（Bacillales）、norank_c__TK10、norank_c__AD3和纖線桿菌目（Ktedonobacterales）?？扑椒治鼋Y(jié)果（圖3-C）顯示，焦作潮褐土、沂南褐土、灤縣褐土和黑土優(yōu)勢菌科主要為norank_o__Gaiellales、norank_o__norank_c__Subgroup_6、鞘脂單胞菌科（Sphingomonadaceae）和芽單胞菌科（Gemmatimonadaceae），棕鈣土優(yōu)勢菌科為Nocardioidaceae、Geminicoccaceae和norank_o__norank_c__Gemmatimonadetes，紅壤以norank_o__norank_c__TK10、norank_o__norank_c__AD3和纖線桿菌科（Ktedonobacteraceae）為優(yōu)勢菌科。

圖3 綱、目、科水平各樣本菌群結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of bacterial community at the class，order and family level

2.3.3 全樣本屬水平菌群結(jié)構(gòu)分析 在屬層次上調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，所有菌屬的相對豐度均小于17%，菌屬數(shù)量較多，未命名菌屬比例較高，表明花生根際土壤細(xì)菌菌群多樣性高，菌群構(gòu)成較復(fù)雜（圖4-A）。6個地區(qū)的花生根際土壤和非根際土壤的菌群結(jié)構(gòu)在屬水平上差異較大，各樣品菌群分類中相對豐度占比最高的前15個屬的豐度在不同地區(qū)存在顯著性差異（圖4-B）。不同土壤類型優(yōu)勢菌屬顯著不同，焦作潮褐土優(yōu)勢菌屬為norank_f__norank_o__norank_c__Subgroup_6和norank_f__norank_o__Gaiellales，沂南褐土和黑土優(yōu)勢菌屬為norank_f__norank_o__Gaiellales、norank_f__norank_o__norank_c__Subgroup_6和鞘氨醇單胞菌屬，灤縣褐土優(yōu)勢菌屬為norank_f__norank_o__Gaiellales，棕鈣土優(yōu)勢菌屬為norank_f__norank_o__norank_c__Subgroup_6、norank_f__norank_o__norank_c__Gemmatimonadetes和norank_f__norank_o__Actinomarinales；而未分類 菌 屬norank_f__norank_o__norank_c__TK10和norank_f__norank_o__norank_c__AD3以及鏈霉菌屬（Streptomyces）僅在紅壤中表現(xiàn)出較高豐度，為該土壤優(yōu)勢菌屬。在屬水平上，樣品間菌種豐度整體差異較大，并在個別菌種豐度上呈現(xiàn)出特有性。

圖4 屬水平各樣本細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)Fig.4 Bacterial community structure of each sample at the genus level

2.4 β多樣性分析

主坐標(biāo)分析是研究數(shù)據(jù)相似性或差異性的可視化方法，可以通過樣本點間的相互位置關(guān)系分析個體或群體間的差異。如圖5-A所示，紅壤細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)差異較大，單獨分布在一個象限，焦作潮褐土和棕鈣土分布于一個象限，其余地區(qū)土壤菌群相似度大，差異較小，分布于同一象限。同一樣本的3次重復(fù)間差異較小，分布較集中，說明3次平行重復(fù)性較好。樣本層次聚類分析顯示，同一土類的根際和非根際土壤樣本重復(fù)聚集到同一分支，不同地區(qū)土壤樣本聚集于不同分支，距離較遠(yuǎn)，差異較大（圖5-B）。相似性分析顯示，不同地區(qū)土壤樣本組間差異較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于樣本組內(nèi)差異（R=0.931 2，P=0.01，圖5-C）。由此可知，不同土壤類型細(xì)菌群落多樣性組間差異較大。

圖5 花生根際細(xì)菌群落β多樣性分析Fig.5 β diversity analysis of bacterial communities on the rhizosphere of A. hypogaea

2.5 土壤細(xì)菌菌群與土壤理化因子的相關(guān)性分析

本研究將6個不同地區(qū)不同類型土壤的酸堿度（pH）、有機(jī)質(zhì)（ORM）、堿解氮（N），速效磷（P）和速效鉀（K）等因子作為土壤理化因子，與土壤門水平細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)細(xì)菌在門水平上的相對豐度與pH、ORM、N、P和K等理化因子間有顯著或極顯著相關(guān)性，其中，表現(xiàn)顯著或極顯著正相關(guān)的有擬桿菌門與pH、ORM、P和K間，芽單胞菌門與ORM、P和K間，變形菌門與ORM、N、P間，放線菌門、酸桿菌門和疣微菌門與N間，Patescibacteria、藍(lán)細(xì)菌門和硝化螺旋菌門與P間；而Rokubacteria僅與pH間呈極顯著正相關(guān)，與N間呈顯著負(fù)相關(guān)。綠彎菌門與GAL4與ORM、P和K間均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)（圖6-A）。

樣品門分類水平與土壤理化因子聚類結(jié)果進(jìn)行RDA分析（圖6-B）。從圖中各理化因子箭頭與樣品中心連線的夾角大小可以看出，焦作潮褐土根際土與非根際土與pH、ORM、N、P和K間的夾角均為銳角，呈正相關(guān)；而紅壤根際土與非根際土與所有因子間均為鈍角，呈負(fù)相關(guān)。沂南褐土非根際土與ORM、N、P和K間為銳角，呈正相關(guān)，與pH間無相關(guān)性；而其根際土與所有土壤理化因子間的夾角均為鈍角，即均呈負(fù)相關(guān)。灤縣褐土非根際土與ORM、N和P間為銳角，呈正相關(guān)，與pH和K間為鈍角，呈負(fù)相關(guān)。黑土根際土與非根際土與ORM、N、P和K間的夾角為銳角，呈正相關(guān)，與pH間為鈍角，呈負(fù)相關(guān)。棕鈣土根際土與非根際土與pH和K間為銳角，呈正相關(guān)，與ORM、N和P間為鈍角，呈負(fù)相關(guān)。通過從樣品點向數(shù)量型環(huán)境因子的箭頭做投影，其投影點與原點的距離用于評價該環(huán)境因子對樣本群落分布相對影響的大小。各環(huán)境因子對焦作潮褐土、沂南褐土、灤縣褐土以及黑土影響力小于對棕鈣土和紅壤的影響力。各環(huán)境因子對棕鈣土影響程度的大小順序為pH＞N＞K，而ORM和P兩理化因子未表現(xiàn)出對該樣品細(xì)菌菌群的影響力。各環(huán)境因子對湖南紅壤的影響程度較大，負(fù)相關(guān)性影響力大小順序為P＞ORM＞K＞pH＞N。

圖6 各土壤樣品細(xì)菌群落與土壤理化因子的相關(guān)性分析Fig.6 Correlation analysis between soil bacterial community and soil physical and chemical factors

3 討論

根際土壤細(xì)菌作為根際-土壤-微生物微生態(tài)系統(tǒng)中關(guān)鍵參與者，在維持根際微生物生態(tài)平衡，協(xié)調(diào)植物生長發(fā)育與營養(yǎng)物質(zhì)的攝取等方面具有重要作用［39］。本研究采用盆栽試驗對分別從花生主產(chǎn)區(qū)河南、山東、河北、吉林、新疆、湖南等地采集的6種不同類型的土壤的花生根際與非根際土壤細(xì)菌菌群多樣性進(jìn)行了研究，并對土壤細(xì)菌菌群與環(huán)境因子間的相關(guān)性進(jìn)行了分析。土壤樣本細(xì)菌菌群豐富度和多樣性分析顯示，紅壤細(xì)菌菌群豐富度和多樣性低于其他5個地區(qū)，而灤縣褐土、焦作潮褐土和棕鈣土土壤樣本細(xì)菌的多樣性均較高。在細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)分析上，不同地區(qū)土壤樣本中細(xì)菌組成具有一定的相似性，但是差異性明顯，個別菌群豐度上呈現(xiàn)出特有性。其中，紅壤中綠彎菌門的豐度特異性提高，其他土壤類型放線菌門和變形菌門優(yōu)勢較明顯。RDA分析顯示土壤理化因子土壤pH、有機(jī)質(zhì)（ORM）、堿解氮（N）、速效磷（P）和速效鉀（K）等對樣品細(xì)菌菌群組成和物種豐度均有不同程度的影響。相同盆栽管理措施下以紅壤花生莢果產(chǎn)量最低。綜合本研究結(jié)果顯示，紅壤與其他土壤類型相比其花生生產(chǎn)的土壤稟賦優(yōu)勢較低。

目前，分析土壤微生物α多樣性常用指數(shù)為Chao指數(shù)和Shannon指數(shù)。本研究通過對不同花生主產(chǎn)區(qū)根際與非根際土壤細(xì)菌的α多樣性研究表明，不同類型土壤細(xì)菌的α多樣性指數(shù)不同，說明不同地區(qū)土壤花生根際土壤細(xì)菌的豐富度和多樣性發(fā)生了改變，其中湖南邵陽紅壤Chao指數(shù)和Shannon指數(shù)均最低。不同地區(qū)的土壤類型、氣候以及品種特性和栽培方式都會影響土壤微生物的α多樣性［40-41］。在本研究中，供試土壤樣品均同時采自花生播種前，于相同處理和管理措施下進(jìn)行盆栽，因此不同地區(qū)各類型土壤花生根際細(xì)菌的變化主要是來自于土壤類型的差異。對不同地區(qū)土壤理化性質(zhì)研究表明，不同地區(qū)土壤pH、有機(jī)碳、堿解氮、速效磷和速效鉀均出現(xiàn)差異，土壤細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)與多種土壤理化因子具有顯著相關(guān)性，但理化因子之間的相互作用機(jī)制和對微生物群落的影響方式還需進(jìn)一步深入研究。紅壤有機(jī)碳、速效磷和速效鉀均低于其他地區(qū)，pH較低，細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)與各土壤理化因子呈顯著負(fù)相關(guān)性，故與多種土壤理化因子顯著負(fù)相關(guān)的細(xì)菌門如綠彎菌門與GAL4在該土壤中特異性提高，但與土壤理化因子正相關(guān)的細(xì)菌門如變形菌門、芽單胞菌門和擬桿菌門在該土壤中豐度很低。相關(guān)性分析結(jié)果與土壤細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)分析兩結(jié)果互相佐證。

植物和微生物共存于土壤，土壤微生物的生長繁殖直接或間接受植被覆蓋的影響，并且其種類和多樣性易受土壤類型、肥料種類及栽培方式的影響［42］。本研究發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)土壤理化性質(zhì)互有差異，導(dǎo)致各地區(qū)土壤細(xì)菌結(jié)構(gòu)也不相同，說明適應(yīng)于某類微生物生長的土壤類型未必適應(yīng)其他微生物類群的生存，這也是土壤微生物對于土壤生境具有選擇適應(yīng)性的體現(xiàn)，與之前研究報道一致［43］。南方酸性紅壤呈現(xiàn)酸、粘、瘠、毒的特點，土壤環(huán)境惡劣，與其他地區(qū)菌群結(jié)構(gòu)差異尤其大。綠彎菌門在紅壤中豐度最高，占總菌量的33.7%-52.3%。綠彎菌門是一個深度分支的門級別細(xì)菌類群，形態(tài)多樣，代謝途徑十分豐富，參與了碳、氮、硫等一系列重要營養(yǎng)元素的循環(huán)過程［44］。張靜等［45］對紅壤水稻土中的微生物多樣性和群落結(jié)構(gòu)研究表明，酸化土壤中綠彎菌門的相對豐度最高，與本文的研究結(jié)果一致。Epelde等［46］對長期遭受重金屬污染的土壤微生物進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示綠彎菌門的相對豐度隨污染物濃度的增高而不斷增加，說明綠彎菌門對外界惡劣環(huán)境的抵抗力較強(qiáng)。因而，綠彎菌門能夠耐受酸性紅壤環(huán)境，通過改善土壤中的碳、氮循環(huán)來促進(jìn)自身生長繁殖，成為該類土壤中最豐富的細(xì)菌門類。

土壤微生物對于植物的生長發(fā)育至關(guān)重要，研究不同產(chǎn)地花生根際土壤微生物與土壤理化性質(zhì)之間的關(guān)系，對揭示不同地域花生生長發(fā)育、因地制宜增產(chǎn)增效具有重要意義。根據(jù)不同土壤細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，沂南褐土、黑土以及棕鈣土中變形菌門豐富度高于紅壤，屬水平鞘氨醇單胞菌屬在沂南褐土和黑土也較高。莢果產(chǎn)量統(tǒng)計學(xué)分析結(jié)果顯示，黑土、棕鈣土和沂南褐土莢果產(chǎn)量顯著高于紅壤。推測根際土壤變形菌門和鞘氨醇單胞菌屬可能與花生產(chǎn)量有一定關(guān)系，其相對豐度的增高可能對花生生長和莢果產(chǎn)量提高有幫助。變形菌門能夠利用有機(jī)物分解產(chǎn)生的氨氣、甲烷等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生長代謝活動［47］，其豐度隨土壤全氮含量和有機(jī)碳含量的增加而提高［48］，本研究中變形菌門與土壤有機(jī)物含量呈顯著正相關(guān)，有機(jī)物含量較高的土壤（黑土以及棕鈣土）中其豐度均較豐富，與之前研究結(jié)果一致。變形菌門利用有機(jī)碳為土壤提供固氮能力并促進(jìn)土壤養(yǎng)分碳、硫循環(huán)［49-50］，鞘脂單胞菌屬主要參與土壤中芳香族化合物的降解及碳循環(huán)過程［51］，可以改善土壤環(huán)境、降解有毒物質(zhì)，二者可能為花生根系生長提供良好微環(huán)境，在一定程度上促進(jìn)花生形態(tài)建成，進(jìn)一步提高花生莢果產(chǎn)量。未來將分離純化變形菌門中優(yōu)勢菌群和鞘脂單胞菌屬，按需接種到根際周圍，結(jié)合花生植株形態(tài)和莢果產(chǎn)量統(tǒng)計學(xué)分析，深入驗證根際土壤變形菌門和鞘脂單胞菌屬在花生生長發(fā)育和莢果產(chǎn)量中的生物學(xué)作用。分離純化并培養(yǎng)利于植物存活和生長的微生物，結(jié)合不同花生主產(chǎn)區(qū)土壤微生物菌群結(jié)構(gòu)差異，因地制宜地改良土壤微生物環(huán)境對不同花生主產(chǎn)區(qū)土壤的高效利用和花生高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

本研究利用高通量測序技術(shù)和莢果產(chǎn)量分析，明確了6種不同土類花生根際土壤細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)特征及其與花生產(chǎn)量的關(guān)系。湖南邵陽紅壤中綠彎菌門優(yōu)勢最明顯，其他土壤類型放線菌門和變形菌門優(yōu)勢較明顯。變形菌門和鞘氨醇單胞菌屬可能分別是與花生莢果產(chǎn)量提高相關(guān)的有益菌門和菌屬。相同盆栽管理措施下以紅壤花生莢果產(chǎn)量最低，紅壤與其他土壤類型相比其花生生產(chǎn)的土壤稟賦優(yōu)勢較低。