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热带山地雨林木本豆科和樟科植物叶内生细菌群落: 物种与功能群多样性及驱动因子
吴春玲, 罗竹慧, 李意德, 许涵, 陈德祥, 丁琼
生物多样性    2023, 31 (8): 23146-.   DOI: 10.17520/biods.2023146
摘要   (675 HTML742 PDF(pc) (1719KB)(899)  

揭示热带木本豆科与樟科植物的叶内生细菌群落的物种与代谢功能群组成差异及其驱动因子有助于理解热带森林的植物适应性和生物多样性维持机制。本研究采用Illumina Miseq测序平台检测海南尖峰岭热带山地雨林中豆科与樟科植物叶内生细菌, 并采用FAPROTAX微生物地球化学循环代谢功能数据库注解内生细菌功能。从豆科植物的长脐红豆(Ormosia balansae)、软荚红豆(O. semicastrata)与樟科植物的厚壳桂(Cryptocarya chinensis)、硬壳桂(C. chingii)共4种植物检测到叶内生细菌可操作分类单元(operational taxonomic units, OTUs)达1,123个, 隶属于21门36纲51目92科160属, 其中有600个OTUs被鉴定为变形菌门, 72个OTUs为酸杆菌门, 分别占总细菌序列数的57.17%和15.12%; 噬纤维菌目的薄层菌属(Hymenobacter)及根瘤菌目的甲基杆菌属(Methylobacterium)的细菌物种最丰富, 分别达37和27个OTUs。叶内生细菌物种组成在豆科与樟科植物之间存在显著差异(ANOSIM: R = 0.5792, P = 0.004)。基于群落非参数性检验的环境向量拟合分析(environmental vector fitting, Envfit)结果表明, 对叶内生细菌群落物种组成影响最大的是叶全钾含量(leaf potassium content, LKC)与比叶面积(specific leaf area, SLA)。有明确分类信息且功能已注释的叶内生细菌OTUs占总OTU数的54.63%, 涉及28类代谢功能群, 其中固氮功能群、好氧化能异养功能群、纤维素分解功能群、甲醇氧化功能群、甲烷氧化功能群、尿素分解功能群等6类功能群的相对多度在非豆科的厚壳桂属(Cryptocarya)显著高于豆科的红豆属(Ormosia)植物。非度量多维尺度分析(non-metric multidimensional scaling, NMDS)结果表明, 细菌代谢功能群主要受SLA和叶全磷含量(leaf phosphorus content, LPC)影响。尖峰岭热带山地雨林非豆科植物叶内生细菌群落中相对多度较高的碳、氮代谢功能群可能是其对低有效养分的土壤环境的适应性机制之一。



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图3 樟科与豆科植物叶内生细菌功能群组成的热图(A)及主要功能的相对多度(B)
正文中引用本图/表的段落
将叶内生细菌物种分类信息与FAPROTAX数据库进行比对, 成功将占总reads数54.63%的489个OTUs进行功能注释, 共涉及6类元素循环(主要为碳元素与氮元素循环)以及2类细菌特征(寄生菌和病原菌), 具体包含28种功能。其中共有388个OTUs仅有1种功能, 36个OTUs具有2种功能, 65个OTUs具两种以上功能。278个OTUs具有好氧化能异养(aerobic chemoheterotrophy)功能, 其序列占比总有效序列的23.79%; 76个OTUs (23.30%)具有固氮(nitrogen fixation)功能; 以噬纤维菌目为主的50个OTUs具有纤维素分解功能(cellulolysis), 占总有效序列1.12%; 39个OTUs共占有效序列4.85%可以分解尿素(ureolysis); 33个OTUs (4.68%)具甲醇氧化(methanol oxidation)功能以及32个OTUs (4.62%)具甲烷氧化(methanotrophy)功能。通过检验结果表明以上6类功能的叶内生细菌群落在豆科与樟科间有显著差异。其中具有甲烷氧化功能的细菌群落在两个宿主植物科间差异最大(χ2 = 7.5, P = 0.006), 在樟科植物中相对多度为5.2%, 在豆科植物中相对多度为2.2%; 其次为具尿素分解功能的细菌群(χ2 = 7.5, P = 0.006); 具固氮功能的细菌群落(Kruskal-Wallis: χ2 = 4.4, P = 0.035), 在樟科和豆科植物所占比例分别为26%、15.44%。具有好氧化能异养功能的细菌群落在樟科和豆科之间具有显著差异(χ2 = 3.9, P = 0.047), 且均为樟科与豆科植物主要的叶内生细菌功能群(图3, 附录4)。樟科植物与豆科植物各具25种和26种细菌功能群, 其中锰氧化(manganese oxidation)功能的细菌仅在樟科植物出现, 好氧氨氧化(aerobic ammonia oxidation)和厌氧氨氧化(anammox)细菌功能群仅在豆科植物中检测到。
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