comunităților

  • obiecte
  • abstract
  • introducere
  • Rezultatul
  • Compoziția comunității microbiene
  • Α-diversitate bacteriană și fungică
  • Proprietățile chimice și efectele solului asupra taxonilor bacterieni sau fungici
  • discuţie
  • metode
  • Puncte de eșantionare
  • Extracția ADN și secvențierea Illumina MiSeq
  • Analiza secvenței bazată pe OTU
  • Determinarea proprietăților fizico-chimice ale solului
  • Analize statistice
  • Mai multe detalii
  • Informatii suplimentare
  • Fișiere PDF
  • Informatii suplimentare
  • Comentarii

obiecte

abstract

Ardeiul negru (Piper nigrum L.), din familia Piperaceae, este o plantă de alpinism lemnoasă perenă care oferă un produs comercial cunoscut sub numele de "piper negru" 1, 2. Ardeiul negru, considerat „regele condimentelor”, are o gamă largă de utilizări, de la ingrediente alimentare simple până la beneficii farmacologice convingătoare 3, 4. Planta are o mare importanță economică în multe țări tropicale, iar Vietnam, India, Indonezia, Brazilia și China sunt mari producători și exportatori de produse de ardei negru 5. Provincia Hainan, principalul producător și exportator din China, cultivă 22.000 de hectare de P. nigrum și produce anual 3,6 × 107 kg de piper uscat, ceea ce reprezintă 90% din producția de piper din China. Aceasta este o importantă industrie a culturilor tropicale din China, cu o producție de peste 15 milioane de dolari 6 .

Cu toate acestea, problemele monoculturale care urmează sunt printre principalii actori care influențează productivitatea și calitatea ardeiului negru în China 7, 8. Deși cultivarea succesivă este obișnuită în producția agricolă, aceasta poate provoca probleme precum deteriorarea calității solului 9, producția redusă a culturilor 10 și bolile agravate ale plantelor cauzate de dăunătorii recoltei 11. Când vine vorba de ardeiul negru, monocultura pe termen lung are ca rezultat o creștere slabă, randamente reduse și boli grave, ceea ce împiedică serios industria ardeiului negru. Există o serie de studii privind problemele monoculturale ulterioare cu ardeiul negru, concentrându-se în special pe calitatea fructelor 12, nutriția solului și proprietățile fizico-chimice 13, 14 .

Dezintegrarea lentă/ofilirea, putregaiul piciorului Phytophthora și nematodele cu nod de rădăcină sunt principalele boli ale piperului negru. Aceste trei tipuri de boli apar și apar mai frecvent în câmpurile cu piper negru monocultivat 5, 7. Fusarium este raportat ca o ciupercă patogenă a piperului negru declin lent/ofilire 5 și Pseudomonas și Bacillus au efecte antagoniste împotriva Phy. Capsici nematodul 15 și nodul rădăcină 16. Cu toate acestea, nu au fost raportate modificări ale cantității ciupercii patogene Fusarium și a bacteriilor antagoniste Pseudomonas și Bacillus în solul de ardei negru cu vârsta de plantare.

Proprietățile fizico-chimice ale solului, în special disponibilitatea azotului din sol (N) și pH-ul solului, au o mare influență asupra compoziției comunităților microbiene ale solului 23, 24. Studiul nostru anterior a raportat că monocultura succesivă pe termen lung a ardeiului negru a dus la o scădere semnificativă a pH-ului solului, a materiei organice (OM) și a activităților enzimatice, rezultând o reducere a conținutului de bacterii în sol 25. În studiul de față, ne-am concentrat pe compararea influenței monoculturii succesive pe termen lung asupra compoziției comunităților bacteriene și fungice, precum și asupra proprietăților fizico-chimice dintre solurile cu rizosferă și non-risosferă.

Rezultatul

Compoziția comunității microbiene

După filtrarea valorilor în funcție de controlul calității de bază și îndepărtarea unității taxonomice operative singleton (OTU), au fost obținute 1.477.241 secvențe conținând 9.665 OTU bacteriene din 24 de probe. Numărul de secvențe de înaltă calitate pe probă a variat de la 36 084 la 89 822. Secvențele clasificate din toate probele au fost asociate cu 25 de filuri bacteriene, iar secvențele rămase au fost neclasificate. Filul dominant (abundența relativă medie [ARA]> 1%) în toate probele a fost Acidobacteria (23, 41%), Proteobacteria (18, 83%), Firmicutes (6, 75%), Chloroflexi (6, 37%), Verrucomicrobia (5, 57%), Actinobacteria (5, 57%) 3, 91%), Planctomycetes (3, 87%), Bacteroidetes (3, 09%) și Gemmatimonadetes (1, 09%) (Fig. Sla). În plus, Nitrospira, Armatimonadete, Cyanobacteria și WS3 au fost prezente în majoritatea solurilor, dar cu o incidență relativ scăzută (ARA: 0,1-1%). Alți 12 filili rari au aparținut ARA

Cantitatea relativă de bacterii majore ( A ) și ciuperci ( b ) tulpini în sol cu ​​rizosferă și nerhizosferă în patru game de monoculturi consecutive.

Imagine la dimensiune completă

Reprezentarea relativă a celor 10 bacterii principale ( A ) și ciuperci ( b ) în solul rizosferei și non-rizosferei în patru game de monoculturi consecutive. „12 ani”, „18 ani”, „28 ani” și „38 ani” se referă la patru game consecutive de monoculturi de 12, 18, 28 și 38 de ani.

Imagine la dimensiune completă

La nivelul genului (Fig. 2), genurile GP4 și GP6 au avut RA mai mari în solul cu rizosferă decât în ​​solul fără rizosferă, în timp ce tendința opusă a fost observată în celelalte opt genuri. În solul ne-rizosferic, RA Ktedonobacter a scăzut odată cu creșterea duratei de plantare; Cu toate acestea, RA din alte genuri nu au prezentat nicio tendință evidentă de variație. În ceea ce privește ciupercile, tendințele aproape tuturor genurilor din solul rizosferic au fost similare cu cele din solul rizosferic, cu excepția Aspergillus, care a scăzut în solul rizosferic și a crescut în solul fără rizosferă.

Interesant este că ciuperca patogenă Fusarium a crescut semnificativ pe măsură ce timpul de plantare a fost prelungit atât în ​​solurile rizosferei, cât și în cele non-rizosferice. În schimb, Pseudomonas și Bacillus, benefice pentru creșterea ardeiului negru, au prezentat o scădere semnificativă.

Α-diversitate bacteriană și fungică

Indicii de bogăție și diversitate ai comunităților microbiene sunt arătați în Tabelul 1. Acoperirea tuturor probelor a fost peste 96%, indicând faptul că profunzimea secvențierii a satisfăcut nevoile experimentelor noastre. În ceea ce privește ciupercile, indicele Shannon a relevat o scădere semnificativă a solurilor cu și fără rizosferă pe măsură ce timpul de plantare a fost prelungit. În special, diversitatea ciupercilor din sol a scăzut semnificativ după 38 de ani de creștere a piperului negru. În cazul bacteriilor, bogăția și diversitatea bacteriilor din sol au scăzut odată cu plantarea atât în ​​solurile cu rizosferă, cât și cu rizosfera, deși indicii Chao1 și Shannon nu au evidențiat o diferență semnificativă.

Tabel în dimensiune completă

Proprietățile chimice și efectele solului asupra taxonilor bacterieni sau fungici

Așa cum se arată în Tabelul 2, conținutul OM în sol și conținutul disponibil de K (AK) au scăzut semnificativ în timpul monoculturii din solurile de rizosferă și rizosferă. Modificările pH-ului ambelor soluri au fluctuat cu o tendință de scădere. Mai mult, conținutul disponibil de N (AN) și P disponibil (AP) în solul cu rizosferă a crescut în timp, iar valoarea AP în solul cu rizosferă a fost de aproximativ 10 ori mai mare decât în ​​solul fără rizosferă.

Tabel în dimensiune completă

Testele Monte Carlo bazate pe proprietățile chimice ale solului și pe numărul celor mai abundente filuri bacteriene și fungice au arătat că proprietățile chimice selectate ale solului s-au corelat semnificativ cu variațiile filului selectat (P = 0,01). Analiza de redundanță (ADR) a arătat că prima și a doua componentă ADR au explicat 52, 76% și 30, 27% din totalul variațiilor bacteriene și fungice (Fig. 3). Pentru bacterii, prima componentă (RDA1), care a explicat 37,57% din variația totală, a separat eșantioanele de sol din rizosferă obținute din patru parcele de câmp cu durate diferite de plantare din probele de sol fără rizosferă. După cum arată grupurile și vectorii lor apropiați, tulpina bacteriană dominantă în probele de sol rizosferă a fost Proteobacteria și a fost asociată cu conținutul de AP, pH și OM și AN, în timp ce tulpina bacteriană dominantă în solul fără rizosferă a fost Acidobacteria. În ceea ce privește ciupercile, prima componentă (RDA1), care a reprezentat 15,65% din variația totală a ciupercii phylla, a separat probele de sol de la vârsta de 38 de ani de rizosferă și non-rizosferă de alte probe. După cum se arată prin gruparea strânsă și vectori, cea mai mare tulpină fungică în tratamentul de 38 de ani a fost Ascomycota și a fost asociată cu conținutul de AN.

Analiza redundanței (ADR) a bacteriilor abundente din sol ( A ) și fungice ( b ) proprietățile filil și fizico-chimice ale solului pentru probe individuale din patru monoculturi consecutive în câmpuri de piper negru. „12 ani”, „18 ani”, „28 ani” și „38 ani” se referă la patru game consecutive de monoculturi de 12, 18, 28 și 38 de ani.

Imagine la dimensiune completă

Ordinea lui Spearman în ordine a fost utilizată pentru a evalua relațiile dintre filitele abundente și proprietățile fizico-chimice ale solului (Tabelul S1). Rezultatele au indicat diferite corelații ale filozofiei microbiene ale solului și ale proprietăților fizico-chimice ale solului în soluri cu rizosferă și non-risosferă. De exemplu, RA a unei fiole microbiene din sol fără rizosferă a fost corelată negativ (Firmicutes phylum pozitiv corelată) cu pH-ul solului, dar nu a existat o corelație semnificativă cu AP. În schimb, nu a existat nicio corelație semnificativă cu pH-ul și o corelație pozitivă cu AP în solurile cu rizosferă.

discuţie

În acest studiu, analiza secvenței Illumina MiSeq a secvențelor ARNr 16S și ITS a arătat că monocopiile consecutive de ardei negru pe termen lung au modificat structura comunității microbiene a solului. Modificările observate pentru bacterii au fost în concordanță cu rezultatele noastre anterioare, care arată că Acidobacteria și Proteobacteria sunt principalul filus cu o reducere a numărului de Firmicutes în cultivarea continuă pe termen lung 25. În solurile non-rosposferice, RA Acidobacteria a crescut semnificativ odată cu plantarea continuă, în timp ce Bacteroidetes și Firmicutes au scăzut. Modificările acestor trei filoze au fost în concordanță cu cercetările anterioare privind culturile succesive 26. În ceea ce privește ciupercile, Ascomycota a fost cea mai abundentă tulpină, reprezentând 89,92%, iar RA a crescut semnificativ odată cu timpul de plantare. În solul rizosferic, RA a celor mai importante cinci filuri a crescut treptat. Cu toate acestea, RA Chytridiomycota RA a scăzut ușor în sol cu ​​rizosferă, în timp ce RA a celorlalte patru filuri a crescut. În plus, s-a observat o reducere semnificativă a indicelui Shannon în solul rizosferic în câmpul de 38 de ani, sugerând că cultivarea ulterioară pe termen lung poate provoca o reducere semnificativă a diversității fungice în solul de piper negru.

Proprietățile biologice ale solurilor cu rizosferă pot diferi semnificativ de cele ale solurilor de masă 34 și un fenomen similar a fost observat în acest studiu. În primul rând, RA medie a proteinelor în solul rizosferic (RA 23, 55%) a fost mult mai mare decât media RA în solul fără rizosferă (RA 14, 11%). În al doilea rând, Firmicutes RA au scăzut semnificativ de la 20, 31% (12 ani) la 5,37% (38 ani) în sol fără rizosferă, dar nu s-a observat nicio diferență semnificativă în rizosfera solului. În cele din urmă, la nivel de gen, RA-urile majorității genurilor erau diferite între solurile de rizosferă și rizosferă. Aceste rezultate se pot datora interacțiunilor complexe dintre exsudatele radiculare, substanțele nutritive și microorganismele solului 35. În plus, biodisponibilitatea nutrienților în sol și bogăția și diversitatea comunităților microbiene au fost mai mari în solul cu rizosferă decât în ​​solul fără rizosferă. În ansamblu, pentru a înțelege problemele legate de monocultura ulterioară a ardeiului negru, ar trebui acordată o atenție sporită interacțiunilor dintre substanțele nutritive din sol, exudatele radiculare și comunitatea microbiană, în special funcția exsudatelor de rădăcină în solul rizosferei.

metode

Puncte de eșantionare

Studiul a fost realizat la Institutul de Cercetare pentru Condimente și Băuturi (18 ° 72 ′ N - 18 ° 76 ′ N, 110 ° 19 ′ E - 110 ° 22 ′ E), orașul Wanning, provincia Hainan, PR China. Această zonă este caracterizată de un climat musonic tropical cu o temperatură medie de 24,6 ° C, o precipitație medie anuală de 2.150 mm și o umiditate relativă medie anuală de 85%.

Probele experimentale de sol au fost prelevate la 15 iulie 2015 din patru condimente negre diferite (Piper nigrum L. cv. Reyin nr. 1) din câmpuri monoculturale succesive (12, 18, 28 și 38 de ani) cu același regim de gestionare agronomică și fertilizare. plantele de ardei negru au fost selectate aleatoriu pentru fiecare câmp de ardei negru, iar probele de sol au fost prelevate aleatoriu din fiecare dintre cele trei plante ca o probă de sol. Săpați cu grijă bucățile cu rădăcinile piperului negru pentru fiecare plantă. Solul aflat la mai mult de 1 cm de rădăcini a fost colectat și considerat lipsit de rizosferă. Apoi îndepărtați cu grijă solul la 5 mm de rădăcini cu o pensulă și o pensetă. Solul adiacent segmentelor rădăcinii, la o distanță de 1-5 mm de suprafața rădăcinii, a fost scuturat și definit ca sol cu ​​o rizosferă. Toate probele de sol au fost plasate în pungi de plastic sterile, plasate într-o cutie de gheață și transferate la laborator. După trecerea printr-o sită de 2 mm, fiecare probă a fost împărțită în două subprobe: o porțiune a fost uscată la aer pentru a analiza caracteristicile solului, iar restul a fost depozitat la -80 ° C pentru extracția ADN-ului.

Extracția ADN și secvențierea Illumina MiSeq

ADN-ul total a fost extras din 24 de probe de sol folosind kitul de izolare ADN MoBio PowerSoil® (Mo Bio Laboratories Inc., Carlsbad, CA, SUA) conform instrucțiunilor producătorului. Concentrația și puritatea ADN genomic au fost măsurate utilizând un spectrofotometru NanoDrop ND-2000 (NanoDrop Technologies, Wilmington, DE).

Grundurile 515F (GTGCCAGCMGCCGCGGTAA) și 806R (GGACTACVSGGGTATCTAAT) au fost utilizate pentru a amplifica regiunile hiper-variabile V4 ale genei bacteriene 16S rRNA. Primerii ciupercii ITS1F (CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA) 36 și ITS2 (GCTGCGTTCTTCATCGATGC) 37 au fost selectați pentru a viza regiunea ITS1. Reacția în lanț a polimerazei (PCR) a fost efectuată conform publicației noastre anterioare 23, 38. În cele din urmă, secvențierea în perechi a fost efectuată folosind un secvențiator Illumina MiSeq la Personal Biotechnology Co., Ltd (Shanghai, China).

Analiza secvenței bazată pe OTU

Analiza secvenței bazate pe OTU a fost efectuată folosind metodele noastre anterioare 38. Pe scurt, după îndepărtarea adaptorilor și a secvențelor de grund, secvențele brute au fost asamblate pentru fiecare probă în conformitate cu un cod de bare unic folosind QIIME 39. Secvențele împărțite pentru fiecare probă au fost reunite folosind FLASH V1.2.740 și secvențele de calitate scăzută au fost aruncate la QIIME. Secvențele rămase pentru fiecare probă au fost prelucrate în conformitate cu conducta UPARSE stabilită 41. Pe scurt, secvențele cu un scor de calitate mai mic de 0,5 sau mai mic de 200 bp au fost eliminate. După îndepărtarea singletonilor, valorile rămase au fost atribuite OTU cu un prag de 97% identitate. Au fost apoi efectuate procese de îndepărtare a chimerului. În cele din urmă, secvențele reprezentative bacteriene au fost căutate împotriva bazelor de date RDP 42, 43 și OTU-uri reprezentative fungic au fost clasificate folosind baza de date UNITE 44 .

Determinarea proprietăților fizico-chimice ale solului

Proprietățile fizico-chimice ale solului au fost determinate în același mod ca și în publicația noastră anterioară 23. Pe scurt, pH-ul solului a fost măsurat folosind un contor de electrod de sticlă într-o suspensie sol-apă (1: 5 w/v). OM și AN (N hidrolizabil) au fost determinate prin încălzirea externă a dicromatului de potasiu. AP a fost determinat utilizând metoda albastru de molibden. AK a fost determinat prin fotometrie cu flacără.

Analize statistice

Acoperirea, bogăția (indicele Chaol) și diversitatea (indicele Shannon) au fost utilizate pentru a estima diversitatea α a fiecărei probe folosind Mothur (versiunea 1.36.0). Corelațiile dintre vilozitatea microbiană abundentă a solului și caracteristicile solului au fost determinate de ADR utilizând pachetul vegan R (versiunea 3.2.3). Analiza unidirecțională a varianței (ANOVA) cu testele HSD multi-interval ale lui Tukey a fost efectuată pentru comparații multiple utilizând SPSS V20.0 (SPSS Inc., SUA), iar corelațiile de rang Spearman au fost calculate utilizând SPSS V20.0 (SPSS Inc., SUA ). ).

Mai multe detalii

Cum se citează acest articol: Li, Z. și colab. Diferite reacții ale comunităților microbiene ale solului din rizosferă și non-rizosferă la monoculturile succesive de Piper nigrum L. Sci. reprezentant. 6, 35825; doi: 10, 1038/srep35825 (2016).

Informatii suplimentare

Fișiere PDF

Informatii suplimentare

Comentarii

Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă găsiți ceva jignitor sau nu respectați termenii sau liniile directoare, marcați-l ca fiind nepotrivit.