土壤微生物群落表征中磷脂脂肪酸(PLFA)方法研究进展

土壤是生物圈的主要成员之一,而土壤微生物群落被认为是土壤生态系统变化的预警及敏感指标,指示土壤质量变化。磷脂脂肪酸(PLFA)方法是一种新兴的用来表征微生物群落结构的方法,已在土壤微生物学研究中得到广泛应用。对其研究进展进行了综述。     

赣南毛竹根际土壤微生物群落结构的PLFA分析

根际土壤微生物是土壤生态系统中最活跃的组分,在养分循环、有机质分解等生态过程中起着重要作用,对根际微生态系统具有重要意义。以赣南毛竹林为对象,利用磷脂脂肪酸(phospholipid fatty acid,PLFA)法分析了不同年龄毛竹根际土壤微生物群落结构特征。结果表明:赣南毛竹根际土壤PLFA含量为3.97±0.51μg/g,不同菌群微生物PLFA含量表现为细菌(2.74±0.35μg/g)真菌(0.48±0.07μg/g)放线菌(0.33±0.05μg/g)。毛竹根际土壤PLFA单体含量间的结构格局不受年龄的影响,但各PLFA单体含量、各类群微生物PLFA含量、真菌/细菌(F/B)、饱和支链/单不饱和脂肪酸(SAT/MONO)随着年龄的增加呈现先增加后降低的变化趋势,以II度竹根际土壤最高(表征原生生物的20∶4ω6,9,12,15c以III度竹最高),cy/pre变化趋势与之相反。根际土壤总PLFA含量、真菌和G-在不同年龄间差异显著。毛竹根际土壤微生物群落结构在不同年龄间差异显著,表现为II度竹根际土壤微生物群落结构明显区别于其他年龄。i14∶0、a15∶0、cy17∶0和18∶1ω7c(细菌生物标记)对主成分1的贡献率最大,20∶4ω6,9,12,15c(表征原生生物)、18∶1ω9c和18∶2ω6,9c(表征真菌)及i16∶0(表征细菌)对主成分2的贡献率较高。造成以上变化规律的原因可能是由于不同年龄毛竹鞭根活力特性不同引起,II度竹根际土壤微生物PLFA量和结构明显区别于其他年龄毛竹。因此,II度竹根际土壤微生物状况可能对竹林地土壤环境状况变化更敏感,可用其指示毛竹林地土壤环境状况。     

黄顶菊入侵域不同土层土壤微生物群落结构的比较

为了解黄顶菊入侵对不同土层土壤微生物群落空间分布情况的影响,利用同质园试验,采用磷脂脂肪酸(PLFAs)生物标记法研究了黄顶菊入侵对不同土层土壤微生物群落结构和土壤微生物量的影响。结果表明:0~5,5~10,10~15cm土层中N处理和FN处理土壤微生物出现重叠,而与F处理差异较大。20~25,25~30cm土层中N处理和F处理出现重叠,且二者和FN处理差异显著。不同处理中代表细菌的PLFA16∶0Nalcohol在10~15,15~20cm土层内有较大量分布;16∶1ω5c(丛植菌真菌)在20~25,25~30cm土层内有较大量分布;在20~25,25~30cm土层中没有出现17∶0 10-methyl(放线菌);除20~25cm土层外18:3ω6,9,12c(真菌)在其他土层内均有较大量分布;cy19∶0ω8c(格兰氏阴性菌)在所有土层内分布都有明显差异。不同土层不同类型微生物PLFAs的种类和含量在黄顶菊不同入侵程度之间有差异。F样地的PLFAs含量均低于N样地及FN样地,随着黄顶菊入侵程度的加深,真菌/细菌值降低,而G+/G-的值升高。说明土壤微生物的群落结构与地上植物群落结构密切相关,基本表现为地上植物多样性越高,土壤微生物的量越多。     

黄土区刺槐和油松人工林土壤微生物PLFA分析

目的研究黄土丘陵沟壑区不同人工林恢复对土壤微生物群落结构多样性产生的影响,为该区植被恢复评价提供数据参考。方法以山西吉县典型刺槐和油松人工林以及自然恢复的荒草地为研究对象,采用磷脂脂肪酸（PLFA）生物标记法（MIDI系统）,分别对土壤表层0 ~ 20 cm和20 ~ 40 cm土层的PLFA种类进行分析,比较不同人工林植被恢复后土壤微生物PLFA数量以及微生物群落结构的差异,并探讨土壤化学性质对土壤微生物群落结构的影响。结果土壤微生物PLFA总量,细菌、放线菌、革兰氏阳性菌和丛枝菌根真菌PLFA含量及多样性指标（Shannon-Wiener、 Simpson及Pielou指数）均呈现出刺槐林最高、油松林次之,且均显著高于荒草地的趋势（P < 0.05）。2种人工林土壤中表征环境胁迫的直链饱和脂肪酸/单不饱和脂肪酸（SAT/MONO）值显著低于荒草地（P < 0.05）。主成分分析结果显示,不同植被类型及土层深度的土壤微生物群落结构存在差异,且3种植被表层土壤微生物群落结构之间的差异达到了显著水平（P < 0.05）。冗余分析和Pearson相关分析结果显示,土壤微生物群落结构变化的主要影响因素是土壤全氮含量和pH值。结论刺槐和油松人工林的恢复对土壤微生物群落结构多样性有显著影响,对土壤生态系统的修复具有积极意义。与油松相比,刺槐更有利于土壤微生物状况的改善。      

放牧与围栏内蒙古针茅草原土壤微生物生物量碳、氮变化及微生物群落结构PLFA分析

以内蒙古贝加尔针茅草原、大针茅草原和克氏针茅草原为研究对象,采用氯仿熏蒸法和磷脂脂肪酸(PLFA)分析方法研究了放牧与围栏条件下内蒙古针茅草原土壤微生物生物量和群落结构特征的变化情况.研究表明放牧与围栏草地土壤微生物生物量和群落结构差异显著.氯仿熏蒸法分析结果表明内蒙古针茅草原土壤微生物生物量碳的含量介于166.6～703.5 mg·kg-1之间,微生物生物量氮含量介于30.34～92.15 mg·kg-1之间,其中贝加尔针茅草原土壤微生物生物量碳、氮最高,大针茅草原次之,克氏针茅草原则最低.放牧条件下,贝加尔针茅草原、大针茅草原土壤微生物生物量碳、氮显著低于围栏草地,克氏针茅草原则无显著变化.PLFA分析结果显示,内蒙古针茅草原土壤微生物群落PLFAs种类、含量丰富,共检测出28种PLFA生物标记磷脂脂肪酸,并且以直链饱和脂肪酸和支链饱和脂肪酸为主,相对含量占总量的2/3左右,其中贝加尔针茅草原土壤微生物含量最丰富,其围栏样地土壤的PLFA含量达到27.3 nmol·g-1,大针茅草原和克氏针茅草原依次降低.围栏条件下,各类型草原土壤细菌脂肪酸与总PLFA含量均显著高于放牧草地,真菌脂肪酸含量则因草原类型不同各有差异;放牧导致各类型草原革兰氏阳性细菌PLFAs/革兰氏阴性细菌PLFAs(GPPLFAs/GNPLFAs)比值显著降低,而除了克氏针茅草原,细菌PLFAs/真菌PLFAs比值则显著升高.PLFAs主成分分析表明,放牧和围栏处理对内蒙古针茅草原土壤微生物群落结构产生影响,且围栏处理的影响程度大于放牧处理.经相关分析表明,氯仿熏蒸法和PLFA分析方法之间有很好的一致性,且土壤微生物PLFAs与土壤有机质、全磷、硝态氮显著相关.     

利用PLFA方法研究不同土地利用方式对潮棕壤微生物群落结构的影响

目的研究不同土地利用方式对潮棕壤微生物群落结构的影响。方法以中国科学院沈阳生态实验站的长期定位试验为平台,利用磷脂脂肪酸(PLFA)技术研究农田、裸地、割草和休闲4种土地利用方式对微生物群落结构的影响,其中农田土地利用方式又包括对照处理(CK)、循环猪圈肥处理(M)、化肥处理(NPK)和化肥+循环猪圈肥处理(NPK+M)。结果细菌脂肪酸和真菌脂肪酸与总PLFA变化规律相似,均为休闲和割草处理最高,农田居中,裸地最低;农田各处理间PLFA含量差异较小,其中M处理最高,其次为CK和NPK+M处理,NPK处理最低;自然撂荒和有机肥的施用有利于微生物的生长,而施用化肥则降低了微生物PLFA量;自然生态系统中土壤具有较高的G+PLFA/G-PLFA比值(革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌的PLFA比值),而耕作和施用化肥则降低了这个比值;休闲和割草处理具有较低的细菌与真菌的PLFA比值,农田生态系统和裸地细菌PLFA/真菌PLFA比值则较高;土壤PLFA与土壤养分的相关性分析表明,土壤微生物量与土壤有机质和全氮显著相关。结论长期土地利用方式的不同明显导致了土壤微生物量和群落结构的差异。     

施用鸡粪有机肥对种植小油菜土壤微生物群落结构多样性的影响

为探究施用不同剂量的鸡粪有机肥对种植小油菜土壤微生物群落结构多样性的影响,设置0（CK）、7.5 t·hm^-2（T0.5）、15 t·hm^-2（T1）、30 t·hm^-2（T2）和60 t·hm^-2（T4） 5个鸡粪有机肥施用水平,种植3茬油菜后采集土壤样品,分析其基础化学性质和微生物磷脂脂肪酸（Phospholipid fatty acid,PLFA）组成特征,并探究微生物与土壤化学性质之间的关联。结果表明：施用鸡粪有机肥后,土壤肥力整体趋于升高,其中T4处理土壤有机质、全氮、全磷、全钾、硝态氮和有效磷含量分别较CK增加了34.1%、48.2%、47.9%、35.5%、3.9%和14.7%;土壤总PLFA、各类群微生物PLFA含量和真菌PLFA/细菌PLFA在中、高量有机肥处理下显著高于不施肥处理,T4处理总PLFA、细菌总PLFA和真菌总PLFA含量分别较CK增加了53.4%、52.1%和108.3%;T2处理的Shannon、Simpson、Pielou指数最高。微生物群落结构在施用极低和低剂量鸡粪有机肥（≤15 t·hm^-2）时较为相似,且显著区别于中量和高量施肥处理（≥30 t·hm^-2）;冗余分析结果表明,土壤基础化学特性解释了群落结构多样性发生变化的87.2%,起主要作用的环境因子包括硝态氮、总磷和pH,其中微生物PLFA与有效磷、铵态氮、硝态氮、全氮、全磷含量呈正相关,与土壤CEC和pH呈负相关。研究表明：施用鸡粪有机肥可以提高土壤肥力,增加土壤微生物群落多样性,但土壤微生物群落结构及多样性对不同的施肥剂量的响应结果不同,施用量为30 t·hm^-2和60 t·hm^-2时明显提高了土壤肥力、微生物总量及各菌群生物量,效果优于其他处理。因此,在短期内可通过适当增加有机肥的施用量来提高土壤肥力和生物学质量。     

玉米秸秆对土壤有机质含量及微生物群落结构的影响

为秸秆还田改善土壤生态功能提供理论依据,以添加秸秆后不同有机质含量变化的土壤为研究对象,利用磷脂脂肪酸(PLFA)法测定土壤微生物群落结构的分布,分析土壤微生物结构与有机质含量变化的关系。结果表明:玉米秸秆添加后引起土壤有机质呈大幅正向增加(I_1)、小幅度正向增加(I2)和负向变化(I_3)3种趋势,其中小幅度正向增加的I2磷脂脂肪酸的种类和绝对含量均低于I_1和I_3,而直链单不饱和脂肪酸/环丙烷脂肪酸(A/B)、直链饱和脂肪酸/直链单不饱和脂肪酸(C/A)、支链异构饱和脂肪酸/支链反异构饱和脂肪酸(iso/anteiso)值均高于I_1和I_3;有机质大幅正向增加的I_1磷脂脂肪酸的种类和绝对含量为3组中最高,且玉米秸秆处理过程中刺激16:0、18:1w6c、18:1w9c、16:0 10-methyl和19:0cyclo w8c所表征的优势类群的增殖,特征性菌群细菌/真菌和革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌(G+/G—)比值较I_1和I2低;有机质负向变化的I_3土壤中表征优势类群的磷脂脂肪酸的绝对含量均低于I_1,且支链饱和脂肪酸绝对含量为3组土壤中最高;主成分分析表明,I_1和I_3土壤微生物种类间无明显差别。土壤初始有机质含量高,玉米秸秆添加后土壤有机质变化幅度大,土壤微生物种类及丰度高。     

有机与常规种植蔬菜地土壤微生物群落特征的比较

结合有机农场土壤特性演变的长期定位研究,重点对比分析有机与常规种植蔬菜地土壤微生物群落特征的差异。结果表明:有机蔬菜地土壤微生物量,酸性磷酸酶、脲酶、过氧化氢酶活性及可培养真菌、放线菌菌落数显著高于常规蔬菜地。采用土壤磷脂脂肪酸(PLFA)分析法得到的有机、常规地块土壤细菌生物量分别为12.64 nmol.g-1和7.29 nmol.g-1,并且差异显著(P<0.05)。主成分分析结合R型聚类分析的结果表明,有机种植地块的土壤微生物群落特征的综合评分高于常规种植地块。     

不同轮作模式对稻田土壤肥力和微生物群落结构的影响

为了探索不同水稻轮作模式对稻田土壤微生物群落结构的影响,以及与土壤养分供给的关系,本研究采用高通量测序技术对3种不同轮作模式下（水稻-小麦轮作、水稻-紫云英轮作、水稻-休耕）土壤细菌和真菌的群落结构变化进行分析,并进一步探讨了微生物群落结构与土壤养分含量之间的相互关系。结果表明：水稻-紫云英轮作模式能够明显改善稻田土壤的综合肥力,紫云英连续翻压还田后显著提高了土壤中总氮（TN）和有效氮（AN）的含量。土壤微生物群落结构方面,不同种植模式对细菌群落结构的影响大于真菌。水稻-紫云英轮作模式中优势菌群如酸杆菌门（Acidobacteriota）和子囊菌门（Ascomycota）等的富集有助于促进土壤生态系统的养分循环与生态健康。不同种植模式条件下土壤养分的变化如TN、AN、总钾（TK）及速效钾（AK）等可能是导致土壤细菌和真菌群落结构发生变化的主要驱动因素。稻田土壤中细菌群落结构对于土壤养分变化的敏感性要高于真菌。综合来看,水稻-紫云英轮作模式是更加适合水稻生态可持续栽培的种植模式,能够明显改善稻田土壤的综合肥力和土壤微生态环境。     

黄土丘陵区人工林土壤微生物PLFA标记多样性分析

为研究不同植被下土壤微生物群落结构多样性的差异,采用磷脂脂肪酸(PLFA)生物标记法,对山西吉县黄土丘陵区典型人工林刺槐、油松以及荒草地的土壤微生物群落结构多样性进行分析研究。结果表明:不同植被下土壤微生物PLFA标记含量存在显著差异,刺槐人工林的土壤微生物PLFA总量最大,细菌、真菌、放线菌的PLFA含量均大于油松人工林和荒草地;细菌PLFA含量在3种样地中的差异显著;2种人工林的真菌PLFA含量接近,而与荒草地差异显著,与荒草地相比,人工林的种植可明显提高土壤中真菌的比例;革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌呈现相同的变化趋势,油松人工林与荒草地2种菌群的PLFA含量接近,而与刺槐人工林差异显著。通过相关性分析发现,不同植被下土壤细菌、真菌、革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌各总PLFA与土壤养分因子之间密切相关;不同植被下土壤微生物群落多样性差异显著,刺槐人工林更为丰富,且各个菌群分布更为均匀,油松人工林土壤的微生物群落多样性及菌群分布均匀度与刺槐人工林土壤较为接近,荒草地土壤微生物群落多样性和均匀程度较2种人工林明显偏低。因此从微生物群落结构多样性的角度看,人工林的种植能够明显改善微生物群落结构,改善土壤质量;刺槐人工林是黄土丘陵区人工植被恢复的较好选择。      

不同林下套种模式对油茶幼林根区土壤化学特性及微生物的影响

采用磷脂脂肪酸方法评估套种圆叶决明(YY1)、羽叶决明(YY2)、花生(HS)、黄豆(HD)、豇豆(JD)、绿豆(LD)和对照(CK)7种不同措施对油茶幼林根区土壤微生物群落结构的影响.结果表明:不同套种模式间土壤养分和微生物群落结构存在差异.各模式中真菌(18∶1ω9c)和细菌(16∶0、i16∶0和18∶0)均为优势种群.与CK相比,套种圆叶决明和羽叶决明模式显著提高了土壤总PLFA、细菌和真菌的含量;细菌/真菌的比例在套种圆叶决明、套种羽叶决明模式中提高,其余均低于CK.相关分析表明,土壤PLFA总量、细菌和革兰氏阳性菌等与土壤有机质、有效磷、有效氮和全氮显著相关.     

种植转Bt基因棉花不同年限土壤PLFA指纹特征与差异

为研究连续种植转Bt基因棉花对土壤微生物群落结构的影响,从连续种植3年转基因棉花晋棉26和中棉所41大田,采集土壤样品,测定磷脂脂肪酸(Phospholipid fatty acid,PLFA)。结果表明,不同品种和种植年限对不同生育期土壤微生物影响不同,随着种植年限和棉花残茬进入土壤生态系统,转基因棉花土壤细菌占总量的百分数有降低趋势,革兰氏阳性和阴性细菌的比例低于非转基因品种;转基因棉花土壤真菌的比例逐渐增加。说明转基因棉花连续种植可能改变土壤微生物群落结构。     

甘蓝、菜豆和玉米不同轮作组合对淡褐土细菌群落和作物产量的影响

为研究不同连作、轮作组合对土壤细菌群落和作物产量的影响,选择北方旱地常见种植作物甘蓝(C)、菜豆(B)和玉米(M),以3种作物轮作下甘蓝-玉米-甘蓝(CMC)、菜豆-玉米-甘蓝(BMC)、甘蓝-甘蓝-甘蓝(CCC)、甘蓝-玉米-菜豆(CMB)、菜豆-玉米-菜豆(BMB)、菜豆-菜豆-菜豆(BBB)、甘蓝-甘蓝-玉米(CCM)、甘蓝-菜豆-玉米(CBM)、菜豆-菜豆-玉米(BBM)、菜豆-甘蓝-玉米(BCM)共10种轮作组合为对象,利用IlluminaHiSeq高通量测序平台,基于16S rRNA基因序列扩增子测序,研究10种轮作模式下耕层土壤细菌群落结构和多样性的变化,分析其不同变化对作物产量的影响。结果表明:各处理间细菌OTU数目差异较小,丰富度间没有差异;前茬种植作物为甘蓝时,CCC处理特有OTU数为2,BMC处理特有OTU数为1;前茬种植作物为菜豆时,BBB处理无特有OTU,CMB处理轮作特有OTU数为1;前茬种植作物为玉米时,CCM、CBM、BCM处理均有1个特有OTU。BCM处理的土壤细菌丰富度指数(Ace指数和Chao1指数)显著低于CCC处理,但CCC、BCM处理与其余处理间无显著差异;与CCC处理相比,BCM处理的Ace指数降低了2.6%,Chao1指数降低了2.5%。CMC、BMC、CCC、BMB、CCM、BBM处理的土壤细菌多样性指数(Shannon指数)较CBM处理显著提高了3.3%~3.6%。与连作相比,CBM处理土壤细菌相对丰度和群落结构变化最大,BCM处理次之;与CCC处理相比,轮作能够降低土壤细菌丰富度和土壤细菌多样性。CMB和BMB处理细菌优势门(相对丰度>10%)为变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes),其余处理细菌优势门为变形菌门、酸杆菌门、拟杆菌门、厚壁菌门(Firmicutes);各处理相对丰度最大的门是变形菌门(25.0%~31.1%)。与连作相比,CBM处理显著降低酸杆菌门、绿弯菌门、放线菌门相对丰度,显著提高拟杆菌门相对丰度。属水平相对丰度聚类热图显示,CMC、BBB、CCM处理与BMC、BBM、BCM处理土壤细菌群落相似性较高,CCC、CMB、BMB处理与CMC、BMC、BBB、CCM、BBM、BCM处理群落相似性次之,CBM处理与其余9种处理细菌群落差异最大。前茬种植作物相同时,各处理产量均无显著差异,其中CMC、BMB、BBM处理产量最高。综合而言,菜豆-菜豆-玉米为最优轮作组合。     

3种耐盐植物对滨海盐土化学性质及微生物群落结构的影响

为探讨耐盐植物种植对滨海盐土化学性质及微生物群落结构的影响,在滨海盐土环境下,以种植耐盐植物费菜（Sedum aizoon L.）、田菁（Sesbania cannabina（Retz.）Poir.）、蒲公英（Taraxacum mongolicum Hand.-Mazz.）的样地和未种植植物的裸地土壤（CK）为研究对象,采用土壤农化分析技术和磷脂脂肪酸（PLFA）生物标记法,对土壤化学性质、微生物群落结构及多样性进行分析。结果表明,与裸地比较,种植植物样地土壤电导率和速效钾含量均显著下降,分别下降了20.26%~57.21%和23.42%~37.80%;而有机质含量和有效磷含量显著升高,分别升高了39.16%~53.01%和106.48%~259.92%。种植植物样地土壤中PLFA种类明显增加,微生物群落也有所改变,3个植物样地土壤中总PFLAs含量和革兰氏阴性菌、放线菌、AM真菌、真核生物、真菌PFLA含量显著升高,分别升高21.53%~103.32%、4.96%~63.37%、82.91%~222.72%、50.00%~160.25%、32.05%~268.59%、19.39%~454.77%;真菌/细菌（F/B）PFLA含量也显著升高1.00~6.50倍,而革兰氏阳性菌PFLA含量和革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌（G⁺/G^-）PFLA含量却显著下降,分别下降了48.06%~57.78%和59.77%~68.68%。此外,种植植物样地土壤微生物群落结构多样性也明显提高。研究表明,种植费菜和蒲公英可以降低滨海盐土土壤电导率,有利于土壤有机质的积累,同时其促进多种微生物的繁殖,可有效改善滨海盐土的微生态环境。     

磷脂脂肪酸生物标记法分析养猪发酵床微生物群落结构的空间分布

采用磷脂脂肪酸(Phospholipid Fatty Acids,PLFA)生物标记法分析发酵床大栏养猪微生物群落结构的空间分布特点。从发酵床的5个区域(A、B、C、D、E)和3个层次(表层、中间层和底层)采集垫料样品,利用Sherlock MIS 4.5系统分析各样品的PLFA。结果表明,15:00、17:00、a15:0等7种PLFA在各样品中均有分布,为完全分布型,而a12:0和17:1 w6分别只在A区和B区分布,为不完全分布型。指示细菌、真菌、放线菌、革兰氏阳性细菌(G+)、革兰氏阴性细菌(G-)的PLFA及总PLFA在D区表层分布量最大。在各垫料中,PLFA分布量均表现为细菌真菌放线菌。A区各层次的真菌/细菌比值显著高于其他区域(P0.05),而G+/G-比值则显著低于其他区域(P0.05)。多样性分析表明,不同区域和层次的垫料Simpson指数、Shannon指数和Pielou指数值均呈现显著差异(P0.05)。聚类分析表明,当兰氏距离为117.1时,可将各样品聚为两个类群:类群Ⅰ包含A区的垫料,其特征是指示不同微生物的PLFA种类少和含量低;类群Ⅱ包含其他4个区域的垫料。当兰氏距离为23.4时,B区和D区各层次样本聚在同一亚类群中,其PLFA种类多、含量高,而C区和E区各层次样本聚在另一亚类群中,其PLFA含量中等。主成分分析表明,主成分1和主成分2基本能将发酵床不同空间垫料样本区分出来,其中A区单独归在一类群,D区和B区归在一类群,C区和E区归在一类群,与聚类分析结果一致。综上,发酵床大栏养猪不同空间的微生物种群结构不同,A区微生物种类少、含量低,而B区和D区微生物种类多、含量高。