菌群+代谢+QIIME2基因云,联手助力JHM土壤新作!

2021
09/22

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派森诺生物
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期刊:《Journal of Hazardous Materials》

影响因子:10.588


最近,派森诺与石河子大学合作,在《Journal of Hazardous Materials》上发表论文,研究了镉(Cd)胁迫下聚合物改良剂对土壤微生物演替和生态位分化的代谢调控。本研究使用派森诺基因云的微生物组QIIME 2分析平台(www.genescloud.cn),并通过菌群+代谢的多组学整合研究方法,主要探讨了3个问题:


1. 在Cd污染土壤中,应用聚合物改良剂对土壤生物多样性和微生物群落演替的影响是什么?

2. 不同Cd组分环境下,土壤生态位分化对聚合物改良剂的响应是否不同?

3. 聚合物改良剂如何通过土壤微生物群落演替和生态位分化来调节土壤代谢,降低Cd对植物的胁迫?


研究背景与思路

镉污染严重威胁着农业生产。高浓度Cd,特别是交换性Cd(Ex-Cd)会严重影响土壤微环境。因此探索土壤微环境对镉污染土壤的响应具有重要意义;

固体改良剂虽然可以有效降低Ex-Cd浓度,但是它并不是完全水溶性的,不能通过滴灌系统应用。而聚合物改良剂具有水溶性高、吸附效率高、利用率高等特点,可在滴灌系统中广泛应用,从而可取代固体改良剂;

测定土壤微生物群落组成可以验证改良剂对镉污染土壤的影响。此外,土壤线虫与土壤微生物之间存在较强的相互作用,土壤微生物可以影响线虫对Cd胁迫的响应。因此,土壤中Cd浓度的变化可以通过土壤微生物和线虫来反映;

土壤代谢组学可以将有机/无机化合物与土壤微生物群落结合起来,全面解释土壤微生物的实际功能。此外,土壤代谢物可作为土壤污染的生物标志物,苹果酸、富马酸、天冬氨酸和谷氨酸在土壤Cd迁移中起主要作用,这些代谢物也是微生物碳和能量的来源。因此,分析土壤微生物群落组成和土壤代谢产物有助于深入了解土壤中复杂的生物通路;

棉花是主要的经济作物之一,它对土壤中Cd的吸收、转运和积累作用显著。开花期和铃期是棉花生长的旺盛时期,棉花在这一时期也大力吸收和运输Cd。已有研究证实,作物生育期对土壤微生物群落结构有显著影响,根际微生物数量高峰出现在开花期和成铃期。因此,探索棉花花期利用液体聚合物改良剂修复Cd污染土壤的机理,阐明其潜在的生物学机制具有重要意义。


研究方法

实验对象:根际土壤

测序平台:Illumina NovaSeq-PE250

测序区域:细菌16S rRNA基因V3V4区、真菌ITS1区、线虫18S rRNA基因

分析方法:基于QIIME 2的派森诺基因云分析(结合DADA2序列处理得到ASV)

实验设计


通过田间盆栽试验,研究自制的聚合物改良剂施用后土壤性质、土壤酶活性、微生物和线虫群落、土壤代谢组学的变化,以及土壤性质、微生物和线虫群落之间的关系。


研究结果

1. 土壤性质测定——傅里叶变换红外光谱(FTIR)

该数据代表了不同处理下土壤FTIR光谱中主要吸收峰的相对强度。PA处理下,增强了土壤硅酸盐中Si-O-Si的v3拉伸振动和苯环=C-H的非平面(摇摆)变角振动。苯环可与金属离子形成表面络合;硅酸盐可降低Cd的毒性。因此,研究推测,聚合物改良剂可降低土壤中Cd的生物有效性。


2. 聚合物改良剂对镉污染土壤中镉组分及土壤性质的影响

通过测定不同处理下根系生长指标、Cd浓度变化、土壤的理化性质等,发现与CK相比,Cd处理降低了根重和根体积,提高了根中Cd浓度(Ex-Cd、Carb-Cd、Ox-Cd、Org-Cd和Res-Cd);土壤有机碳浓度、有机碳储量、氮浓度和氮储量降低,C/N比增加(Ex-Cd浓度的增加主要是由于土壤C/N比增加,说明较高的C/N比可以提高Cd的生物有效性)。

与Cd处理相比,PA处理下根体积增加了12.31%,Ex-Cd的浓度降低了41.43%,而Carb-Cd、Org-Cd和Res-Cd的浓度分别增加了146.27%、8.66%、76.00%;土壤中有机碳浓度、有机碳储量、氮浓度和氮储量增加,C/N比降低。最后的相关分析表明,根体积与Ex-Cd呈负相关;根重与Ex-Cd、Org-Cd呈负相关;根中Cd浓度与Ex-Cd、Carb-Cd、Ox-Cd、Org-Cd和Res-Cd都呈正相关。综上说明,该聚合物改良剂可调节镉污染土壤的Cd组分和土壤性质。


3. 聚合物改良剂对镉污染土壤中微生物群落的影响

首先,通过测定土壤中细菌和真菌多样性组成谱,以反映不同处理下的菌群变化。其中,放线菌可以通过改变根际Cd的形态来改变Cd的生物有效性。为了探讨放线菌对Cd的响应,从细菌群落中分离放线菌群落并单独进行分析。

通过PCoA分析发现,CK/Cd/PA三组之间有显著差异。同时,通过Alpha多样性分析可以看出,与CK相比,Cd处理下的细菌Chao1指数、真菌Shannon指数和真菌Pielou_e指数均有所降低;而在PA处理下,细菌Chao1指数、细菌Shannon指数、真菌Shannon指数、真菌Pielou_e指数和放线菌Chao1指数均有增加。以上结果表明,PA和Cd组中菌群发生了变化;进而通过LEfSe分析,寻找不同处理下土壤中关键微生物群落的差异,结果再次表明PA可改变Cd污染土壤中菌群的组成。


4. 聚合物改良剂对镉污染土壤中线虫群落的影响

对土壤中线虫群落多样性组成谱进行分析发现,与CK相比,Cd处理下线虫群落的Chao1指数、Shannon指数、Pielou_e指数均降低;而在PA处理下这些指数均有所增加,与Cd组形成鲜明对比。同时,PCoA分析也反映出Cd组和PA组之间有显著差异。

通过LEfSe分析,筛选到23种线虫,包括10种细菌线虫(Ba)、4种真菌线虫(Fu)、5种植物寄生线虫(PP)和4种捕食者杂食线虫(OP)。在三种不同的处理下,发现CK组中Prismatolaimus(Ba)和Boleodorus(Pp)丰度更高;Cd组Helicotylenchus(Pp)和Rhabdolaimus(Ba)丰度更高;PA组Aphelenchus(Fu)丰度更高。结合上述细菌、真菌群落的分析结果可知 ,PA处理下的生物群落演替以关键细菌(Flaviaesturariibacter、Rubellimicrobium和Cnuella)、关键真菌(Verticillium和Tricharina)、关键放线菌(Blastococcus和Nocardioides)和关键线虫(Aphelenchus)为主,表明该聚合物改良剂可以调控特定微生物群落的相对丰度,改变Cd污染土壤的生态系统结构。

本研究还通过相关性分析,进一步寻找不同取食偏好的线虫和菌群之间的相关性。

5. 聚合物改良剂对镉污染土壤中核苷酸和碳水化合物代谢的影响

本研究同时通过代谢组学分析,获得不同处理下的差异代谢物。为进一步了解这些DEMs之间的相互作用,进行KEGG富集分析及土壤中核苷酸和碳水化合物代谢网络分析。结果表明,Cd污染显著抑制了核苷酸的代谢途径,这可能导致核苷酸代谢异常。然而,聚合物改良剂的应用调控了Cd污染土壤中微生物碳水化合物和核苷酸的代谢途径,加强了土壤生态系统功能的恢复。


6. 土壤微生物、线虫、土壤特性与代谢物的关系

由于土壤微生物群落和线虫群落对不同处理的响应不同,土壤微生物群落、关键微生物群落和线虫群落、代谢产物和根系特征之间的相互作用也存在差异。因此,可以通过共现网络表现出它们之间较为复杂的相互作用。结果表明,在Cd处理下,土壤性质的变化主要受到土壤代谢物(肾上腺素、D-果糖、蔗糖、乳梨糖和乙酰乙酸)的影响;同时,关键细菌(Steroidobacter、Longimicrobiaceae、Saccharimonadales)、关键放线菌(Nonomuraea)和关键线虫(Rhabdolaimus)也对土壤特性的变化响应积极,从而形成新的生态位。PA处理调节了土壤特性,并与特定的菌群(与LEfSe分析的结果一致)和代谢物(二氢尿嘧啶和4-羟基肉桂酸)相互作用。同时,LEfSe分析显示,PA处理中Verticillium和Tricharina的相对丰度远高于CK组和Cd处理组,网络分析也显示Verticillium和Tricharina与土壤特性密切相关,说明该聚合物改良剂对真菌Verticillium和Tricharina有显著的调控作用,提示真菌通过聚集和菌根缔合在土壤理化肥力中发挥重要功能。


总 结

1) 首先,聚合物改良剂可以改善土壤微生物、碳水化合物和核苷酸的代谢,调节碳水化合物和核苷酸的代谢途径,优化微生物与线虫群落的关系和土壤特征;

2) 其次,聚合物改良剂的化学官能团(苯环、硅酸盐和CO32-可以降低土壤中Cd的生物有效性,而Cd组分的变化将进一步导致土壤生态位的变化;

3) 同时,聚合物改良剂可通过刺激Verticillium和Tricharina,以减少Cd胁迫。

总之,本研究证明了该液体聚合物改良剂可以有效地降低土壤中Cd的毒性,可用于农田重金属的修复,因而具有重要的实践意义。


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关键词:
土壤,Cd,改良剂,处理,聚合物

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