土壤微生物群落及其活性与植被的关系

第37卷　第3期

1998年　5月中山大学学报(自然科学版) A CTA 　SC IEN T I A RUM 　NA TU RAL I UM UN I V ER S ITA T IS 　SUN YA T SEN I 　　V o l 137　N o 13M ay 　1998土壤微生物群落及其活性与植被的关系

夏北成1) 　Zhou J Z 2) 　T iedje J M 3) Ξ

(1) 中山大学环境科学研究所, 广州510275; 2) O R abo rato ry ,

3) Cen ter fo r M icrob ial Eco logy , M U )

摘　要　. 受植被影响O TU O TU 种群. 植被对微生物的影响同时也表现在对生命物质DNA 的影响, 即有植被的土壤环境中的微生物DNA 具有更高的活性, 其基因在克隆过程中更容易被转移, 获得更多的克隆细胞和种群.

关键词　土壤微生物, 群落结构, 多样性, DNA 活性

分类号　X 172, Q 93811

随着人类对土壤环境影响的日益加深以及通过各种不同的途径向土壤中排放污染物质, 使土壤环境受到的严重的污染和破坏. 在力图解决土壤污染问题时, 遇到了各种各样的困难, 这时土壤微生物受到了科学家的重视[1, 2]. 土壤微生物对土壤污染具有特别的敏感性, 同时它们又是降解污染物质和恢复土壤环境的最先锋者[3, 4]. 植被是影响土壤环境的重要因素, 对土壤环境中的理化性质、水力特性和生物相等都会产生极大的影响.

1　材料与方法

111　土壤样品

第一批样品于1995年12月初取自美国M ich igan State U n iversity 的Kellogg 生物实验站(KB S ) 的长期生态观测点的白杨树实验区, 称为KB S 样品, 共取得4个样品, 详见文献[5]. 第二批样品取于1996年夏季, 取自美国V irgin ia 州的A bbo tt ’s P its , 称为AB 样品. 取样深度分别为5, 157, 325和404c m , 样品取出后立即放入冷藏盒内, 带回实验室藏于-20℃.

112　DNA 的提取、纯化和定量测定

DNA 的提取采用液氮研磨和加SD S 的方法, 纯化采用低溶点琼脂糖凝胶电泳和微型过滤柱的方法进行2次纯化, 定量测定采用普通琼脂糖凝胶电泳. 详见文献[5, 6]. Ξ国家教委留学回国人员科研启动基金资助项目

收稿日期:1997210227　　夏北成, 男, 41岁, 副教授

第3期　　　　　　　　　夏北成等:土壤微生物群落及其活性与植被的关系95113　DNA 的扩增和基因转移

采用PCR 技术和选择对绝大部分土壤微生物种类均有较好的扩增效应的引物[6]扩增提取的DNA 模板, 通过TA 克隆技术将扩增的16S 因子转移至E scherich ia coli 中[5, 6]. 114　R FL P 分析

R FL P 分析即为限制性内切酶消化DNA 片段的长度多态性图象分析方法(restricti on fragm en t length po lym o rp h is m ) . 通过克隆过程所获得的白色菌落即为所需的克隆细胞, 对其细胞进行直接扩增, 过程与引物见文献[5, 6]. 根据土壤微生物群落的特点, 选用M sp 2R sa 和H ha 2～8ΛH ae 两对酶, 取7L 的PCR 产物, 用M sp R sa 酶011个单位对其进行消化. 消化温度为37℃, 时间可为5～h . 0%～313%的

M etapho r 琼脂糖胶, 在4℃下对消化了的DNA 因多态图象, 应用图象转换分析软件. 对经M sp 和R sa H ae 进行消化处理. 经第二组酶. 各不相同的基因型为唯一基因型, O 7].

2211　群落结构与植被的关系

21111　表层土壤群落结构与植被的关系　相同层次的土壤样品微生物克隆群落的结构受植被的影响很大. 从KB S 样品多草小区获得的O TU 数或克隆种群数比无草小区的大得多, 这说明植被使得土壤微生物种类更丰富(图1)

.

图1　KBS 样品不同小区和不同层次样品的微生物克隆群落结构比较

F ig 11　So il m icrobial comm unity structures from KBS samp les (w eedy and w eed 2free p lo ts )

21112　不同层次土壤微生物群落结构变化　AB 样品是来自同一种处理的不同土壤层次, 表层有较丰富的草本植物, 表层以下第一个层次的样品取自157c m , 一般草本植物对这一层次以及以下层次的影响将很小. 在表层以下的各层次中, O TU 数量大大减少(图2) .

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图2　不同土壤层次的微生物克隆群落结构比较

F ig 12　T he cloning m icrobial comm unity structures from surface and subsurface so il

212　群落多样性与植被的关系

表层土壤样品及其微生物群落的多样性如表11从表1可以看出, 土壤微生物群落的多样性指数受植被的影响很大, 克隆数的差异更为明显. 表层土壤样品的O TU 与克隆数的比值较接近, 都在019以上; 表面以下的3个样品其比值却明显不同. 随着土壤层次的加深, 比值变小, 样品AB 22, AB 23和AB 24的比值分别为0161, 0149和0134. 这一变化除受植被的影响以外, 还与表面以下土壤的结构特性和营养等有关[11].

植被对土壤中微生物的群落结构影响很大, 能提供较为多样的营养物质和微生物种群生长所需的资源, 为丰富的微生物种类提供了稳定发展的基本条件.

表1　不同土壤环境样品的土壤微生物群落多样性指数

T ab 11　T he diversity indexes of so il m icrobial cloning comm unity from different samp les

样　品

KBS 21

KBS 22

KBS 23

KBS 24

AB 21

AB 22

AB 23

植被情况植被丰富(多草区) 植被丰富(多草区) 无草本植物(无草区) 无草本植物(无草区) 植被丰富(表层) 受植被影响很小(表面以下) 受植被影响很小(表面以下) () 土壤层 c m 0～40～150～40～155157325获得克隆数[***********]4O TU 数[***********]6多样性指数1) [***********]8211441143　　　　1) 根据Shannon 指数计算

213　植被对DNA 分子活性的影响

以上关于植被对土壤微生物群落结构的影响的结论是基于获得的克隆群落. 获得克隆群落的过程则是一个重要的环节, 并可揭示植被对DNA 分子活性的影响. 在克隆过程中所获得的与活性有关的数据整理如表2.

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表2　KB S 样品的克隆过程的差异

T ab 12　C loning difference betw een w eedy and w eed free samp les (KBS )

兰色菌落总数(B ) [***********]4012037白色菌落总数(W ) [***********]228060

(B +W ) [***********]460140W

挑选进行扩增的白色菌落(W P ) [***********]37携带16S 因子的克隆数(16S ) [***********]4

样　　品

从克隆过程所获得的克隆菌落总数来看, 多草小区, 2, . 白色的菌落的克隆细胞并不一定, 某些白色菌落可能是携带一个小于16S 因子的基. PCR 直接扩增, 然后检测其克隆细胞是否携带16

. 16S 因子的克隆细胞的比例显著高于从无S 因子

草样品所获得的带16S 因子的克隆细胞的比例.

以上结果显示, 多草小区样品中的DNA 更容易在克隆过程中被转移进入E scherich ia

. coli 细胞中而获得携带16S 因子的克隆细胞这表明从多草小区样品中获得的DNA 具有

更高的活性. 土壤环境在植被的影响下更有利于微生物的生长与繁殖. 生长与繁殖活跃的生物种群, 其生命代谢过程也更旺盛, 其生命物质的活性也较强. 反之亦然.

214　植被对土壤微生物群落的影响分析

从以上分析可知, 植被对土壤微生物群落的影响主要表现在以下几个方面:

(1) 群落多样性. 从图1中不同群落结构的比较就可以直接得到植被使微生物群落多样性更高, 使生物种类更丰富的结论. 多草小区的样品中O TU 数显著高于无草小区的样品. 图2中表面以下的几个样品中O TU 数量显著减少, 显然, 表面以下土壤环境受植被的影响要小得多, 在较深的层次可能不受植被的影响. 如果某一土壤环境的植被可以维持很长的时间, 则可以使该环境的微生物群落达到一个很高而又稳定的状态.

(2) 群落结构. 从图2所显示的结果看, 表层土壤因受植被的影响, 群落多样性极高, 而在这个多样性高的群落中没有具有明显优势的O TU 种群, 各种群都处在相对均一的水平. 根据生态学的一般原理, 这是种群间竞争作用较弱的结果. 分析土壤环境可知, 表层土壤环境由于受植被的影响, 可供微生物利用的各种资源极为充足, 加上由于植物根系存在而导致的空间异质性, 可以满足各种微生物的生存需求[8]. 未受植被影响或者受影响很小的表面以下各层的微生物群落中存在明显的优势种群, 即有较强的竞争作用存在, 因为资源的有限性和环境的同质性使得其生态条件不能充分满足各种不同种群的需求.

(3) 生物活性. 从受植被影响的微生物群落中获得的生命物质的活性更高, 因为植物根系的生命代谢过程对土壤微生物群落的各种生长与代谢活动具有激活作用, 对各种群产生重要影响. 从分析结果看, 表现为DNA 活性增强, 在克隆过程中能够获得更多的携带目标基因的克隆细胞.

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参考文献

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～25and Environm ental Toxico logy and M icrobial Eco logy , 1996. 23

Effects of Overly i ng Vegeta tion on So il M icrob i a l

Comm un ity Structures and The ir Activ ity

X ia B eicheng Ξ　Z hou J iz hong 　T iedje M J am es

Abstract 　T he overlying vegetati on on so il can change su rface so il environm en t , and af 2fect som e eco logical facto rs fo r so il m icrob ial living . T he so il environm en t w ith p lan t activ 2ity is m o re su itab le fo r so il m icrob ial pop u lati on . It ’s better fo r m icroo rgan is m s to rep ro 2duce and grow in the su rface so il environm en t w ith overlying p lan ts . D iversity is h igher in su rface so il w ith overlying p lan ts than that in the so il environm en t w ithou t overlying p lan ts o r in the o riginal sub su rface so il no t affected by vegetati on . T here is no dom inan t O TU pop u lati on in the so il m icrob ial comm un ity in the su rface so il environm en t , and there are obvi ou s dom inan t O TU popu lati on s in the sub su rface so il environm en t . V egetati on can affect the activity of DNA from so il m icrob ial comm un ity .

Keywords 　so il m icrobe , comm un ity structu re , m icrob ial diversity , DNA activity

ΞInstitute of Environm ental Science , Zhongshan U niversity , Guangzhou 510275, Ch ina