古尔班通古特沙漠苔藓结皮中可培养细菌多样性特征

干旱区地理 ›› 2014, Vol. 37 ›› Issue (2): 250-258.

古尔班通古特沙漠苔藓结皮中可培养细菌多样性特征

吴楠¹，张元明¹，潘惠霞¹，邱东²

（1 中国科学院干旱区生物地理与生物资源重点实验室，中国科学院新疆生态与地理研究所，新疆乌鲁木齐 830011；
2 新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆乌鲁木齐 830052）

收稿日期:2013-08-01 修回日期:2013-10-20 出版日期:2014-03-25
通讯作者: 张元明. Email：zhangym@ms.xjb.ac.cn
作者简介:吴楠（1980-），女，新疆石河子市人，博士，副研究员，主要从事荒漠植物-微生物互作研究. Email：wunan@ms.xjb.ac.cn
基金资助:
新疆维吾尔自治区科学基金青年基金项目（2009211B31“古尔班通古特沙漠南缘藻结皮及地衣结皮固氮潜能探析”）

Culture-dependent bacteria diversity of moss crusts in the Gurbantunggut Desert

WU Nan¹，ZHANG Yuan-ming¹，PAN Hui-xia¹，QIU Dong²

（1 Key Laboratory of Biogeography and Bioresource in Arid land, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi 830011,Xinjiang, China; 2 College of Pratacultural and Environmental Science, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, Xinjiang, China）

Received:2013-08-01 Revised:2013-10-20 Online:2014-03-25

摘要/Abstract

摘要： 在不同类型的生物土壤结皮中，苔藓结皮蓄水能力、抗机械干扰和固沙的能力最强，在受损沙地的人工修复中发挥着更为重要的生态作用。通过挖掘具固氮、固沙等功能的重要菌株资源可改善苔藓结皮的土壤结构、增强苔藓植物抗旱性、提高苔藓生长。前期工作中发现集中分布于垄间低地的苔藓结皮中微生物数量远高于沙垄其它部位的结皮，但究竟是哪些特殊类群的细菌对苔藓结皮的生态功能产生影响尚不清楚。本文对苔藓结皮中数量占绝对优势的细菌多样性进行了进一步的分析，结果表明：（1）分离、纯化的25株菌可初步归为3门3纲4目6科6属，未见新属。其中，芽孢杆菌属（Bacillus）占绝对优势（52%）；（2）进一步的blast同源性分析表明，25株菌可归为18个OTUs（Operational Taxonomic Unit），未见疑似新种（同源性均>97%），其中芽孢杆菌属OTU比例最高（39%）；（3）将结果与前期工作中地衣结皮可培养细菌多样性进行了对比分析，发现该沙漠苔藓结皮中的可培养细菌Shannon-Wiener多样性指数为2.77，高于地衣结皮（2.55）。这与苔藓结皮具有更强的抗风蚀能力和更高的蓄水能力有关。而硅酸盐细菌在两类结皮中均存在，该类菌株将与苔藓植物协同固沙，推进生物土壤结皮的发育。

关键词: 原核生物, RDP在线归类, EzTaxon-e数据库, Shannon-Wiener多样性指数, 硅酸盐菌株

Abstract: Biological soil crusts，given their extraordinary abilities to survive desiccation and extreme high temperatures，high pH and high salinity，have been found in deserts all over the world．They play a significant role in the process of formation，stability and fertility of soil，prevention of soil erosion caused by wind or water. Comparing to other biological soil crusts （algae crust or lichen crusts），moss crusts play the most significant role in ensuring the proper functioning of desert ecosystem，such as involvement in the process of formation，stability and fertility of soil，prevention of soil erosion caused by wind or water. Our previous research found that the quantity of microbe in the moss crusts was high. However，we had no idea with the diversity of those microbes when we wanted to use them in the sand-fixing application. In order to investigate the relationship between the moss and the microbe around the rhizoid，25 bacterial strains were isolated from moss crusts using three different medium. Phylogenetic analysis of partial 16S rDNA sequences showed as follows：（1） These strains were clustered into 3 phyla，3 classes，4 orders，6 families and 6 genera via Ribosomal Database Project （RDP） classifier. The phyla Proteobacteria，Actinobacteria and Firmicutes respectively owned 2，8，15 of the 25 strains. The dominant genera were Bacillus（52%） and Streptomyces （24%）. （2） Further classification of these strains was achieved via Basic Local Alignment Search Tool （BLAST） Homology analysis of the partial 16S rDNA against the EzTaxon-e database. BLAST results yielded 18 Operational Taxonomic Units （OTUs） and no novel species whose sequence similarity was lower than 97% compare to the species in the EzTaxon-e database. Most of these OTUs belong to the genus Bacillus （39%） and Streptomyces（33%）. （3） The Shannon-Wiener diversity index of moss crusts was 2.77，the value higher than that of lichen crusts for the same Gurbantunggut Desert. Because that the sand-fixing and water-trapping ability of moss crusts was stronger than that of lichen which would provide suitable habit for more microbe. For example，the leaf hair points of moss were confirmed as a critical part of adaptation to，and survival in，the extremely arid environment of the Gurbantunggut Desert，facilitating the capture of minimal quantities of water （rain，fog and/or dew），increasing the speed at which water could be absorbed into the leaf，and altering the leaf angle to effect optimum photosynthesis and carbon gain. We should pay more attention to the silicate bacterium such as Paenibacillus mucilaginosus which existed in both lichen crusts and moss crusts. It should be note that silicate bacterium could release lots of nutritional ions from soil and exhibited a multifunctional role for sand stabilization and maintenance of water. Although no nitrogen-fixing bacteria strains such as Azotobacter were isolated in this research，our unpublished data based on 454 sequencing techniques showed that the species belong to Rhizobiales was abundant. The complicated mutualistic symbiosis relationship between moss and bacteria in moss crusts would improve the development and ecological function of BSCs.

Key words: prokaryote, Ribosomal Database Project （RDP） classifier, EzTaxon-e database, Shannon-Wiener diversity index, silicate bacterium

中图分类号:

Q939.99

吴楠，张元明，潘惠霞，邱东. 古尔班通古特沙漠苔藓结皮中可培养细菌多样性特征[J]. 干旱区地理, 2014, 37(2): 250-258.

WU Nan，ZHANG Yuan-ming，PAN Hui-xia，QIU Dong. Culture-dependent bacteria diversity of moss crusts in the Gurbantunggut Desert[J]. , 2014, 37(2): 250-258.

参考文献

［1］张乃莉，郭继勋，王晓宇，等. 土壤微生物对气候变暖和大气N沉降的响应［J］. 植物生态学报，2007，31（2）：252-261.

［2］ DRIGO B，PIJL A S，DUYTS H，et al. Shifting carbon flow from roots into associated microbial communities in response to elevated atmospheric CO2［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2010，107（24）：10938- 10942.

［3］李新荣，贾玉奎，龙利群，等. 干旱半干旱地区土壤微生物结皮的生态学意义及若干研究进展［J］. 中国沙漠，2001，21（1）：4-11.

［4］张元明，王雪芹. 荒漠地表生物土壤结皮形成与演替特征概述［J］. 生态学报，2010，30（16）：4484-4492.

［5］禹朴家，徐海量，张青青，等. 近49a古尔班通古特沙漠南缘地区沙尘暴变化特征初探［J］. 干旱区地理，2011，34（6）：967- 974.

［6］卜崇峰，杨建振，张兴昌. 毛乌素沙地生物结皮层藓类植物培育试验研究［J］. 中国沙漠，2011，31（4）：937-941.

［7］陶冶，张元明，吴楠，等. 生物结皮中齿肋赤藓叶片毛尖对植株含水量及水分散失的影响［J］. 干旱区地理，2011，34（5）：800- 808.

［8］潘惠霞，程争鸣，齐晓玲，等. 伊贝母根际有益微生物对栽培产量的影响［J］. 干旱区地理，2010，33（6）：917-922.

［9］ WU Nan，WANG Hongling，LIANG Shaoming，et al.Temporal- spatial dynamics of distribution patterns of microorganism relating to biological soil crusts in the Gurbantunggut Desert［J］. Chinese Science Bulletin，2006，51（Supp 1）：124-131.

［10］邱东，程争鸣，张元明，等. 寡营养细菌对古尔班通古特沙漠土壤环境的影响［J］. 干旱区研究，2012，29（1）：148-154.

［11］ WU N，ZHANG Y M，DOWNING A. Comparative study of nitrogenase activity in different types of biological soil crusts in the Gurbantunggut Desert，Northwestern China［J］. Journal of Arid Environments，2009，73：828-833.

［12］郭洪旭，王雪芹，盖世广，等. 古尔班通古特沙漠腹地半固定沙垄顶部风沙运动规律［J］. 干旱区地理，2010，33（6）：954-961.

［13］张立运，陈昌笃. 论古尔班通古特沙漠植物多样性的一般特点［J］. 生态学报，2002，22（11）：1923-1932.

［14］张元明，杨维康，王雪芹，等. 生物结皮影响下的土壤有机质分异特征［J］. 生态学报，2005，25（12）：3420-3425.

［15］王华荣，彭桂香，张国霞，等. 糖蜜草[（Melinis minutiflora Beauv.）]内生固氮菌分离鉴定［J］. 生态学报，2006，26（8）：2566-2571.

［16］何志祥，朱凡. 雪峰山不同海拔梯度土壤养分和微生物空间分布研究［J］. 中国农学通报，2011，27（31）：73-78.

［17］ WANG Q，GARRITY G M，TIEDJE J M，et al. Naive Bayesian classifier for rapid assignment of rRNA sequences into the new bacterial taxonomy［J］. Applied and Environmental Microbiology，2007，73（16）：5261-5267.

［18］ KIM O S，CHO Y J，LEE K，et al. Introducing EzTaxon-e： a prokaryotic 16S rRNA gene sequence database with phylotypes that represent uncultured species［J］. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology，2012，62：716-721.

［19］刘敏，李潞滨，杨凯，等. 冷箭竹根际土壤中可培养细菌的多样性［J］. 生物多样性，2008，16（1）：91-95.

［20］吴楠，张元明，潘惠霞，等. 古尔班通古特沙漠地衣结皮中可培养细菌多样性初探［J］. 中国沙漠，2013，33（3）：710-716.

［21］盛下放. 硅酸盐细菌NBT菌株在小麦根际定殖的初步研究［J］. 应用生态学报，2003，14（11）：1914-1916.

［22］周桔，雷霆. 土壤微生物多样性影响因素及研究方法的现状与展望［J］. 生物多样性，2007，15（3）：306-311.

［23］ BAMFORTH S S. Protozoa of biological soil crusts of a cool desert in Utah［J］. Journal of Arid Environments，2008，72（5）：722-729.

［24］王新平，李新荣，潘颜霞，等. 我国温带荒漠生物土壤结皮孔隙结构分布特征［J］. 中国沙漠，2011，31（1）：58-62.

［25］吕东英，李卫红，杨玉海，等. 多枝柽柳幼苗根际微生物数量与分布对土壤水分变化的响应［J］. 中国沙漠，2012，32（3）：737- 743.

［26］ TAO Y，ZHANG Y M. Effects of leaf hair points of a desert moss on water retention and dew formation： implications for desiccation tolerance［J］. Journal of Plant Research，2012，125（3）：351-360.

［27］ ZHANG J，ZHANG Y M，DOWNING A，et al. The influence of biological soil crusts on dew deposition in Gurbantunggut Desert，Northwestern China［J］. Journal of Hydrology，2009，379：220- 228.

［28］ ROSSI F，POTRAFKA R M，PICHEL F G，et al. The role of the exopolysaccharides in enhancing hydraulic conductivity of biological soil crusts［J］. Soil Biology & Biochemistry，2012，46：33-40.

［29］张元明，聂华丽. 生物土壤结皮对准噶尔盆地5种荒漠植物幼苗生长与元素吸收的影响［J］. 植物生态学报，2011，35（4）：380-388.

［30］ GREEN L E， PORRAS-ALFARO A，SINSABAUGH R L. Translocation of nitrogen and carbon integrates biotic crust and grass production in desert grassland［J］. Journal of Ecology， 2008， 96（5）：1076-1085.

［31］ PORRAS-ALFARO A， HERRERA J， NATVIG D O， et al. Diversity and distribution of soil fungal communities in a semiarid grassland［J］. Mycologia，2011，103（1）：10-21.

［32］赵宇龙，张晓军，金一获，等. 毛乌素沙漠生物土壤结皮真菌群落多样性分析［J］. 内蒙古农业大学学报，2011，32（2）：170- 174.