念青唐古拉山扎当冰川退缩前沿土壤性质与可培养细菌多样性变化
【类型】期刊
【作者】岳君，刘光琇，章高森，张威，徐世健（兰州大学生命科学学院；中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠与沙漠化重点实验室）
【作者单位】兰州大学生命科学学院；中国科学院寒区旱区环境与工程研究所沙漠与沙漠化重点实验室
【刊名】冰川冻土
【关键词】 扎当冰川；冰川退缩地；可培养细菌；土壤性质
【资助项】国家自然科学基金项目(30800154;30770329;40971034)；中国博士后科学基金项目(20080430794)资助
【ISSN号】1000-0240
【页码】P1180-1185
【年份】2019
【期号】第6期
【期刊卷】1;|7;|8;|2
【摘要】通过细菌的分离培养和土壤性质的测定,分析了念青唐古拉山扎当冰川退缩前沿土壤中可培养细菌的多样性和土壤性质的变化.结果表明:土壤中可培养细菌的数量为104105CFU.g-1,可培养细菌隶属于α-Proteobacteria、β-Proteobacteria、γ-Proteobacteria、Bacteroidetes和Actinobacteria 5个类群.随冰川退缩年代不同土壤中细菌多样性有明显变化,土壤的C、N含量与距冰川前沿的距离之间呈正相关,即土壤暴露时间越长,C、N含量越高.结果说明,冰川退缩前沿的土壤中存在着丰富的细菌资源,细菌的组成发生着动态的变化,同时也影响着土壤的理化性质.
【全文】 文献传递
念青唐古拉山扎当冰川退缩前沿土壤性质与可培养细菌多样性变化
摘 要:通过细菌的分离培养和土壤性质的测定,分析了念青唐古拉山扎当冰川退缩前沿土壤中可培养细菌的多样性和土壤性质的变化.结果表明:土壤中可培养细菌的数量为104～105CFU·g-1,可培养细菌隶属于α-Proteobacteria、β-Proteobacteria、γ-Proteobacteria、Bacteroidetes和 Actinobacteria5个类群.随冰川退缩年代不同土壤中细菌多样性有明显变化,土壤的C、N含量与距冰川前沿的距离之间呈正相关,即土壤暴露时间越长,C、N含量越高.结果说明,冰川退缩前沿的土壤中存在着丰富的细菌资源,细菌的组成发生着动态的变化,同时也影响着土壤的理化性质.
关键词:扎当冰川;冰川退缩地;可培养细菌;土壤性质
0 引言
近百年来,在全球气候变暖的影响下,世界上大多数的冰川处于退缩状态,冰川退缩后裸露的土壤为研究生物的原生演替提供了一个独特的环境.目前,对冰川退缩地生物演替的研究主要集中在植物[1]和动物[2]方面,在这种环境系统中对微生物演替的研究还很少.但是微生物很可能是原生裸地的早期定居者[3],它们在土壤有机质转化和养分增加方面发挥着重要作用[4].Sigler等[5]利用分子生物学的方法证明冰川退缩裸露地中细菌的结构和功能均发生变化,Tscherko等[6]也证明随着冰川退缩地裸露时间的延长,微生物的功能多样性增加.
青藏高原的冰川面积占中国冰川总面积的80%以上,自小冰期以来,特别是20世纪以来,青藏高原地区的冰川发生全面退缩[7-9].扎当冰川(冰川编号:5Z225D0017;30°28.57′N,90°38.71′E)位于青藏高原念青唐古拉山主峰的东北坡,纳木错湖的西南方,冰川朝向NNW.根据中国冰川编目资料[10],冰川长度1.8 km,面积2.58 km2,最高海拔5 980 m;冰舌前端呈扇形且较为平坦,末端海拔约5 500 m.根据2007年遥感监测[11],该冰川目前最大长度1.4 km,面积2.0 km2,呈扇形流出山谷,冰舌前端较为平坦,末端海拔约5 515 m,冰面洁净,没有表碛物覆盖;按冰川的物理特性分类,属于大陆型冰川.最新观测表明,扎当冰川末端平均退缩速率接近10.0 m·a-1[11-12].本文对扎当冰川退缩地中可培养细菌的多样性及土壤性质的变化进行分析,探讨在冰川退缩过程中,土壤发育的过程以及在这个过程中细菌的种类是否也像植物那样发生着可预知的变化,这对于研究退化土壤的植被恢复有重要意义.
1 材料与方法
1.1 样品采集
2008年8月.在扎当冰川前沿的0 m,2 m,5 m,10 m,20 m,30 m,200 m处的7个平行截面进行土壤样品采集(如图1),每个截面上采取3个土壤样品,即在图中的3个样带方向与7个截面的的交叉处共采取了21个样品.0 m的截面与3个样带交叉点的土样分别标号为0-1,0-2,0-3,依此类推.将土壤装进已灭菌的土壤盒中,迅速保存于冰柜,在低温下运回实验室,-20℃保存备用.
图1 扎当冰川的采样图[12]
Fig.1 The sampling transects in Zhadang Glacier foreland[12]
1.2 土壤理化分析
土壤p H用酸度计分析.土壤的C、N含量在兰州大学分析测试中心进行测定分析.土壤含水量通过烘干法进行.
1.3 土壤中可培养细菌的分离及16S rRNA-RFLP分析
土壤样品经适当稀释后,采用寡营养培养基PYGV AGAR(www.dsmz.de/media/med621.html)分离培养土壤中可培养细菌,样品均在20℃培养一定时间后,统计每个平板上出现的菌落数.根据菌落大小、形态、颜色等表型特征,挑取平板上的单菌落划线纯化.以细菌通用引物 8F(5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAG-3′)和1492R(5′-GGTTACCT TGTTACGACTT-3′).对样品进行16S rRNA基因的扩增,扩增体系为:1×PCR 缓冲液(MBI),2.5 mmol·L-1MgCl2(MBI),正反向引物各 0.2μmol·L-1,0.2 mmol·L-1dNTP,1 U Taq DNA 聚合酶(MBI),纯化后的单菌落直接作为DNA 模板,总扩增体系25μL.用灭菌的超纯水做阴性对照.扩增条件:94℃预变性5 min,94℃变性1 min,58℃复性1 min,72℃延伸1.5 min,扩增30个循环,72℃延伸10 min. PCR产物用1.0%琼脂糖凝胶电泳检测.
10μL纯化的PCR产物分别用3U限制性核酸内切酶 HaeIII和 AluⅠ于 37℃酶切 16 h,以 2.5%的琼脂糖凝胶电泳进行酶切分析.酶切分析后将不同谱型菌株的PCR扩增产物冷冻送上海生工生物工程有限公司测序.
1.4 数据分析
将所有序列提交 GenBank数据库.用Blast软件在Gen Bank数据库进行相似性搜索,获取相近典型菌株的16S rRNA基因序列.利用CLUSTALX和MEGA4.1软件,将序列及其相似序列进行遗传关系研究,并用邻接法构建系统发育树状图.退缩距离与土壤的p H值、含水量、以及C和N含量的关系用SPSS17.0软件以Pearson相关系数进行相关性分析.
本研究中得到的16S rRNA基因序列均已提交GenBank数据库,序列登录号为 GU321346～GU321363.
2 结果
2.1 土壤中可培养细菌的数量与多样性
距冰川前沿不同距离的土壤中可培养细菌的数量如图2所示,介于104～105CFU·g-1,可培养细菌的数量与冰川退缩年代没有相关性.
图2 扎当冰川退缩土壤可培养细菌的数量
Fig.2 Culturable bacterial counts in the soil from Zhadang Glacier foreland
从不同土壤样品的培养平板上依据菌落形态、菌落颜色等挑选出不同菌落,经纯化培养后通过对细菌形态观察、Gram染色等将纯化菌株经16S rRNA PCR扩增,扩增产物RFLP酶切分析后得到18种不同谱型菌株,测序分析18株细菌的16S rDNA基因序列,序列通过嵌合子检测验证均为正常16S rDNA基因序列.分别属于α-Proteobacteria、β-Proteobacteria、γ-Proteobacteria、Bacteroidetes和Actinobacteria 5个类群,分属于S phingopyxissp.、S phingomonassp.、Porphyrobactersp.、B revundimonassp.、Hymenobactersp.、Flavobacteriumsp.、Frigoribacteriumsp.、S alinibacterium sp.、 A rthrobacter sp.、 Massilia sp.、 Enhy drobactersp.等11个属(图3).
图3 扎当冰川退缩土壤中可培养细菌16S r RNA基因序列的系统发育树
Fig.3 Phylogenetic analysis of the culturable bacterial 16S rRNA in the soil samples from Zhadang Glacier foreland
图4 细菌各类群在距扎当冰川前沿不同距离土壤中的分布
Fig.4 Distribution of bacterial groups in the soil of Zhadang Glacier foreland(α:α-Proteobacteria;β:β-Proteobacteria;γ:γ-Proteobacteria;A: Actinobacteria;F:Bacteroidetes;
:Very common;
:Common;
:Rare)
扎当冰川退缩前沿土壤中可培养细菌以α-Proteobacteria、Bacteroidetes和Actinobacteria为优势类群,这三大类群几乎存在于所有样品中,但是这种分布也存在距离的差异性(图4).随着距冰川前沿距离的增加,Actinobacteria菌群所占的比例逐渐增加,而Bacteroidetes和β-Proteobacteria菌群则呈现下降的趋势.
2.2 土壤理化分析
扎当冰川退缩地土壤的p H值、含水量、以及C和N的含量如图5所示.土壤中C、N含量及含水量均较低.土壤中N的含量大约为0.6～1 mg· g-1,距冰川前沿的距离与 N含量在样带2(R= 0.820,P<0.05)和样带3(R=0.769,P<0.05)中呈显著正相关.土壤中C含量大约为1～3 mg· g-1,与距冰川前沿的距离在3条样带中(样带1:R=0.867,P<0.05;样带2:R=0.922,P<0.01;样带3:R=0.979,P<0.01)均呈显著正相关.距冰川前沿的距离与含水量、p H之间的关系并不明显,但是土壤有从碱性到酸性的变化.
图5 扎当冰川退缩地三条样带中土壤的碳氮含量、含水量和p H值
Fig.5 Nitrogen,carbon,water content and p H values of the soil from the three sample plots of Zhadang Glacier foreland
3 讨论
土壤中可培养细菌的数量介于104～105CFU ·g-1,低于Sigler[4]等对Damma冰川退缩地可培养细菌的研究(105～107CFU·g-1),同时也低于青藏高原表层冻土可培养细菌的数量(106～107CFU·g-1)[13].扎当冰川退缩地的土壤中可培养细菌的数量较低,这与土壤的营养条件、土壤温度有关.可培养细菌的数量与距冰川前沿的距离之间不存在相关性,说明土壤暴露的时间并不是限制细菌生长的唯一主要因素.
从图3可以看出,样品中分离出部分细菌的16S rDNA与已报道的从南极、北极和其他冰川等低温环境分离出的细菌相似度最高,如 GU321352与 从 北 极 分 离 出 的 Flexibacteraceae bacterium VU G-A33(EU155010)序列相似度最高;还有部分分离出的细菌序列与从土壤和湖水中分离出的细菌有很高的相似性,如 GU321357和 GU321360等.这是由于在风和水的作用下,土壤、冰和大气之间存在细胞循环,扎当冰川退缩地中的细菌可能有一部分来自冰川表面或者冰川中的沉积物,还有一部分细菌可能是大气粉尘从各种环境携带至退缩地的沉积.
从样品中分离出5大类群的细菌,这5种类群的细菌的分布存在距离的差异性.随着土壤暴露时间的延长,Actinobacteria菌群在可培养细菌中所占的比例逐渐增加,这可能与Actinobacteria适应有机物丰富的土壤有关;而Bacteroidetes.菌群由于具有适应低营养的能力成为早期裸露土壤中微生物菌群的主要组成部分,并且Bacteroidetes菌群具有分解高分子量有机物的能力,这意味着早期裸露的土壤由于养分缺乏,Bacteroidetes菌群可以通过降解环境中的有机物为微生物提供碳源和能源.
冰川退缩地土壤的 C、N含量很低,这与Nemergut等[14]对秘鲁安第斯山脉 Puca冰川退缩地土壤的研究数据相一致(C含量约为1～2 mg· g-1,N含量约为0.1 mg·g-1),但是略低于青藏高原表层多年冻土的C、N含量(C含量约为3～4 mg·g-1,N含量约为0.3～0.4 mg·g-1)[13].冰川退缩后形成的原生裸地并不能为定居者提供足够的营养物质,在这种情况下,N是缺乏的.首先定居下来的主要是具有固氮功能的微生物[15-16],它们通过固氮作用将氮元素从大气向原生裸地转移,逐渐增加土壤中氮元素的含量.因此,随着裸露时间的延长,土壤中的营养物质也在逐渐增加.扎当冰川退缩地的p H值偏高,呈中性或弱碱性,这与青藏高原表层冻土呈碱性的结果相一致[13].在退缩的过程中,距冰川前沿的距离与p H之间并不存在相关性,但是在与冰川前沿相距200 m的土壤, p H呈现酸性,这可能是由于土壤微生物释放有机酸及CO2.
综上所述,扎当冰川退缩地土壤中的细菌来源广泛,细菌会改变菌群的组成方式来适应不同的土壤环境,并且也会逐渐的增加土壤中的营养.
参考文献(References):
[1] Caccianiga M,Andreis C.Pioneer herbaceous vegetation on glacier forelands in the Italian Alps[J].Phytocoenologia, 2004,34:55-89.
[2] Hodkinson I D,Coulson S J,Webb N R.Invertebrate community assembly along proglacial chronosequences in the high Arctic[J].Anim.Ecol,2004,73:556-568.
[3] Smith R I L.Bryophyte Propagule Banks:a Case Study of an Antarctic Fellfield Soil[M].Oxford:Blackwell Scientific Publications,1991:1-123.
[4] Kastovska K,Elster J,Stibal M,et al.Microbial assemblages in soil microbial succession after glacial retreat in Svalbard (High Arctic)[J].Microbial Ecology,2005,50:396-407.
[5] Sigler W V,Crivii S,Zeyer J.Bacterial succession in glacial forefield soils characterized by community structure,activity and opportunistic growth dynamics[J].Microbial Ecology, 2002,44:306-316.
[6] Tscherko D,Rustemeier J,Richter A,et al.Functional diversity of the soil microflora in primary succession across two glacier forelands in the Central Alps[J].European Journal of Soil Science,2003,54:685-696.
[7] Yao T D,Liu S Y,Pu J C.Changing Glaciers in High Asia [M]//Glaciers and Earth’s Changing Environment.Oxford: Blackwell Publisher,2004:65-78.
[8] Pu Jianchen,Yao Tandong,Wang Ninglian,et al.Fluctuations of the glaciers on the Qinghai-Tibetan Plateau during the past century[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2004, 26(5):517-522.[蒲健辰,姚檀栋,王宁练,等.近百年来青藏高原冰川的进退变化研究[J].冰川冻土,2004,26(5):517 -522.]
[9] Su Zhen,Shi Yafeng.Response of monsoonal temperate glaciers in China to global warming since the Little Ice Age[J]. Journal of Glaciology and Geocryology,2000,22(3):223-228.[苏珍,施雅风.小冰期以来中国季风温冰川对全球变暖的响应[J].冰川冻土,2000,22(3):223-229.]
[10]Jiao Keqin,Zhang Zhenshuan.Glacier Inventory of China VII: Qinghai-Xizang Plateau Interior Area(Drainage Basins of the Siling Lake)[M].Beijing:Science Press,1998:37-45.[焦克勤,张振栓.中国冰川目录:青藏高原内陆水系(色林错流域区)[M].北京:科学出版社,1988:37-45.]
[11]Zhou Guangpeng,Yao Tandong,Kang Shichang,et al.Mass balance of the Zhadang Glacier in the Central Tibetan Platea [J].Journal of Glaciology and Geocryology,2007,29(3): 360-365.[周广鹏,姚檀栋,康世昌,等.青藏高原中部扎当冰川物质平衡研究[J].冰川冻土,2007,29(3):360-365.]
[12]Kang Shichang,Chen Feng,Ye Qinghua,et al.Glacier retreating dramatically on the Mt.Nyainqêntanglha during the last 40 years[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2007,29 (6):870-873.[康世昌,陈锋,叶庆华,等.1970—2007年西藏念青唐古拉峰南、北坡冰川显著退缩[J].冰川冻土,2007, 29(6):870-873.]
[13]Feng Huyuan,Ma Xiaojun,Zhang Gaosen,et al.Culturing and counting the microbial cell in permafrost on the Tibetan Plateau[J].Journal of Glaciology and Geocryology,2004,26 (2):182-187.[冯虎元,马晓军,章高森,等.青藏高原多年冻土微生物的培养和计数[J].冰川冻土,2004,26(2):182-187.]
[14]Nemergut D R,Anderson S P,Cleveland C C,et al.Microbial community succession in an unvegetated,recently deglaciated soil[J].Microbial Ecology,2007,53:110-122.
[15]Liengen T.Environmental factors influencing the nitrogen fixation activity of free-living terrestrial cyan bacteria from a high arctic area,Spitsbergen[J].Canadian journal of Microbiology, 1999,45:573-581.
[16]Dickson L G. Constrainta to nitrogen fixation by cryptogrammic crusts in a polar desert ecosystem,Devon Island,NWT, Canada[J].Arctic Antarctic and Alpine Research,2000,32: 40-45.
Changes in Soil Properties and Culturable Bacteria Diversity in Zhadang Glacier Foreland
Abstract:Species diversity of culturable bacteria and the shifts of physicochemical properties of soil samples at different distances from the Zhadang Glacier foreland were investigated respectively by the culture method and physicochemical analyses. The results show that the amount of culturable bacteria ranges from 104to 105CFU·g-1.The culturable bacteria belong to the following groups: α-Proteobacteria,β-Proteobacteria,γ-Proteobacteria,Bacteroidetes and Actinobacteria.The diversity changes with glacial retreat.Shifts in the C and N content are correlated to distances.These mean that the longer the soil exposure,the more the C and N content.The results indicate that diverse bacteria exist in the glacier foreland and the composition of bacteria in soil changes dynamically;as a result,the nutritional status of soil will be affected.
Key words:Zhadang Glacier;deglaciated foreland;culturable bacteria;soil properties
中图分类号:Q938.1+3
文献标识码：A
文章编号:1000-0240(2010)06-1180-06
收稿日期:2010-03-01;
修订日期：2010-07-23
基金项目:国家自然科学基金项目(30800154;30770329;40971034);中国博士后科学基金项目(20080430794)资助