蚯蚓盐碱耐受性驯化及盐碱胁迫下与土壤微生物互作关系研究
蚯蚓作为监测土壤质量的低成本预警软体动物，其对土壤具有强大的修复能力，但却往往被人们忽视它们的生态重要性。近年，有关污染环境中蚯蚓各项机能指标的研究相对增多，多数从重金属、污泥、农药残留、杀虫剂等角度挖掘蚯蚓体内菌群和微生物的变化过程，通过不断的梯度试验探寻蚯蚓在不同污染环境中的耐性途径和降解能力。本研究以“大平二号”蚯蚓为供试蚯蚓品种，通过模拟高盐碱环境对初始蚯蚓进行定向驯化，挖掘并筛选最优驯化条件（包括时间、盐碱溶液比例和基料配比方案）。此外，在高盐高碱条件下分析测定了蚯蚓及其生存的土壤环境的生理生化指标，包括耐盐碱蚯蚓繁殖率、致死率、新生量、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱甘肽过氧化物酶（GPX）、丙二醛（MDA）和过氧化氢酶（CAT）等变量的变化过程。同时，借助宏基因组测序数据库，对耐盐碱蚯蚓与土壤环境微生物群落多样性、功能等进行数据分析，挖掘耐盐碱蚯蚓体内外微生物多样性与相关酶变量之间的关联强度和方向，探寻耐盐碱蚯蚓与土壤环境间的直接和间接调控途径。本研究具体研究结果如下： （1）蚯蚓对高盐高碱环境的反应较为敏感，随着时间的增加，其相关理化指标发生较大，当土壤环境PH大于9.8时，蚯蚓致死率高达75%以上，PH大于6小于等于9时，其致死率基本维持在5%至11%之间。 （2）耐盐碱蚯蚓驯化阶段，将改进的BP神经网络预测模型应用到了耐盐碱蚯蚓实践培育条件筛选模块。与普通实践操作相比，三个输出神经元BP预测模型的预测准确率均值为99.40%(＞95%)，并探究了耐盐碱蚯蚓生长特征与生存环境变量间的联动预测关系。 （3）通过对优势菌群分析表明，初始土壤环境样本与终止土壤环境样本在种水平上的优势物种主要为黄色类固醇杆菌（Steroidobacter_cummioxidans）和浮霉菌门（Planctomycetes_bacterium），其正向作用物种数量高于负向作用的物种量。同时，初始蚯蚓与耐盐碱蚯蚓肠道样本在微杆菌属（Microbacterium）和类诺卡氏菌属（Nocardioides）上的丰度高达60%，并且在生丝微菌属（Hyphomicrobium）、链霉菌属（Streptomyces）等属水平存在明显的物种差异。 （4）在分析耐盐碱蚯蚓肠道微生物菌群分布和功能类群过程中，耐盐碱蚯蚓与初始蚯蚓肠道微生物在氨基酸运输和代谢（E）和能源生产和转换（C）功能上的蛋白丰度有着较大明显差异，耐盐碱蚯蚓肠道样本中参与氨基酸运输与代谢的显著性基因相对于初始蚯蚓肠道样本具有更为显著上调过程，且参与到赖氨酸生物合成过程的显著上调基因的显著性为p＜0.0001，实际证明，蚯蚓体内可获取生产活动中较为稀缺的氨基酸资源。尤其是编码K00145（argC，EC:1.2.1.38）的基因，N-乙酰谷氨酰磷酸还原酶在精氨酸生物合成及其亚途径鸟氨酸生物合成中充分的完成了第三步，此外argC可激活N-乙酰氨基甲酸乙酯并产生2-乙酰胺基-5-氧代戊酸酯，这对于蚯蚓的有氧代谢过程发挥着重要的前导作用和调节效果。 （5）互作路径分析阶段，将主成分分析法与回归算法相结合的思想应用到互作关系探究模块，通过生物数学建模的方法挖掘耐盐碱蚯蚓体内外微生物多样性与POD、SOD、CAT、MDA和GPX等5个酶变量之间的作用函数和结构。结果发现：随着时间的增加，耐盐碱蚯蚓体内微生物多样性受5个酶变量的作用程度从大到小排序依次为：POD＞SOD＞GPX＞CAT＞MDA；终点土壤环境样本微生物多样性受5个酶变量的作用程度从大到小排序依次为：GPX＞POD＞CAT＞SOD＞MDA；在耐盐碱蚯蚓体内样本与土壤环境样本微生物多样性关联分析中，5个酶变量的作用程度从大到小排序依次为：GPX＞POD＞SOD＞MDA＞CAT。
土壤微生物;互作关系;蚯蚓盐碱耐受性驯化;盐碱胁迫
吉林农业大学
博士
微生物学
陈光
2023
中文
S154.5
2023-11-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）