林下凋落物中不产氧光合细菌群落结构及功能研究
凋落物分解是指植物凋落物经过代谢、分解变成有机物或者无机物的过程，它决定着碳氮的存储和周转。凋落物分解是森林生态系统中碳氮循环中的关键过程，而这一过程主要是由生物和非生物因素共同作用。研究发现林下光谱具有较强的近红外光透过性。不产氧光合细菌（Anoxygenic phototrophic bacteria，APB）能够利用可见光和部分近红外光波段进行光合作用，在各种生境中广泛分布，是碳氮循环的重要参与者。然而APB在凋落物分解过程中的多样性和功能鲜有报道。 本研究以重庆市北碚区缙云山森林和复兴镇森林中的凋落物作为研究对象，以野外调查结合微宇宙模拟实验的方法，通过高通量测序和实时荧光定量 PCR （qPCR）技术对林下凋落物中的APB和细菌群落进行了多样性、影响因素及功能预测分析，经模拟实验验证了APB对凋落物分解的影响，最后对凋落物分解功能菌群的结构和功能进行了阐述。本研究主要结论如下： （1）通过野外调查采样发现林下冠层具有较强的近红外光透过性，林下存在适宜APB生存的理想光环境。凋落物中APB群落α多样性与冠层叶中的APB群落 α 多样性相比，在物种数量和多样性上具有显著优势。两个研究区域凋落物中的优势细菌均以马赛菌属（Massilia）,假单胞菌属（Pseudomonas）和鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）为主。其中，鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas），斯科尔曼氏菌属（Skermanella）和慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）同时具有nifH基因和pufM基因。凋落物中相对丰度在前200的APB有90%以上属于变形菌门。凋落物中的优势APB受到土壤pH、光谱、木质素含量等多种因素的影响。复兴森林凋落物中的优势APB物种中慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）显著受到920 nm、755 nm、780 nm、845 nm、860 nm近红外光和土壤pH的影响。缙云山森林凋落物种的优势APB物种Rhodobaculum受到凋落物木质素的影响最显著，相关系数高达0.99。该物种还受到755 nm、779 nm、845 nm、860 nm和880 nm近红外光的显著影响。 （2）共现网络分析发现复兴森林和缙云山森林凋落物中的关键物种分别为鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）和慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium），均具有光合功能和固氮功能。复兴森林凋落物中APB数量在107～109 gene copies g-1，固氮细菌数量在 104～107 gene copies g-1。缙云山森林凋落物中的 APB 数量为 107～108 gene copies g-1，固氮细菌数量为104～106 gene copies g-1。两个区域的APB和固氮细菌数量存在显著相关性，部分优势菌的相对丰度与凋落物碳氮含量、土壤碳氮含量显著相关。 （3）光照波段影响了香樟和黄葛树凋落物分解中的发色和助色基团变化，分解过程中的可溶性有机物产物以类腐殖酸、类色氨酸和类酪氨酸为主，这些物质的浓度在不同光照波段下存在差异。香樟凋落物分解过程中，分别在850 nm和白炽灯光源下富集并纯化得到了两株光合细菌，经分子生物学鉴定为蜡色杆菌属（Cereibacter sphaeroides Y1）和粪红假单胞菌（Rhodopseudomonas faecalis R1）。 （4）微宇宙模拟分解木质素实验初步明确在中性 pH 条件下，通过添加水铁矿和 Y1 菌能够在一定程度上改善因碳氮比失衡造成的木质素分解效率较低的问题。C/N为30时，与未添加Y1菌的样品相比，添加0.5%Y1菌可将分解率提升了46.71%。C/N为60时，与未添加Y1菌的样品相比（分解率为7.25%），添加0.5%的 Y1 菌能使分解率提升至 45.92%。高通量测序结果显示，寡养单胞菌属和不动杆菌属分别为添加 Y1 菌后 C/N 为 30 和 60 时的优势菌。碳氮比范围在 1.3～30时，Y1菌的相对丰度较高。FAPROTAX功能预测显示，添加水铁矿和Y1菌增强了微生物群落的光合功能和固氮功能，再次证明APB参与了凋落物分解中的碳氮循环。
林下凋落物;不产氧光合细菌;菌群结构;高通量测序;实时荧光定量PCR
重庆交通大学
硕士
地理学;自然地理学
王兴祖;吴胜军
2023
中文
S718.8
2023-09-14（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）