2024, Vol. 44文章信息
- 王雯颖, 徐宝珠, 胡佳瑶, 潘高, 刘文胜
- WANG Wenying, XU Baozhu, HU Jiayao, PAN Gao, LIU Wensheng
- 锰矿区大叶胡枝子灌丛土壤的丛枝菌根真菌多样性
- Diversity of arbuscular mycorrhizal fungi in the soil of Lespedeza davidii scrub in manganese mining area
- 生态学报. 2024, 44(12): 5269-5279
- Acta Ecologica Sinica. 2024, 44(12): 5269-5279
- http://dx.doi.org/10.20103/j.stxb.202301190124
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文章历史
- 收稿日期: 2023-01-19
- 网络出版日期: 2024-04-09
丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)是自然界分布广泛的植物共生真菌, 能与80%以上的高等植物建立互惠共生关系, 其生物量占土壤微生物总生物量的比例达10%[1]。AMF与植物共生可以提高植物对重金属胁迫的耐受能力[2]。研究显示, AMF的物种多样性与植物功能多样性相互促进, 利于胁迫条件下植物的生长[3]。因而, 弄清土壤AMF物种多样性、分布状况及其与土壤理化性质的关系是改善生态系统功能的关键。
土壤环境是影响AMF多样性的关键因素。土壤理化性质、光照及化感物质等多种因素均影响AMF的群落组成。例如, 有研究对比了矿区和非矿区的AMF物种多样性, 发现随着重金属浓度的升高, AMF物种多样性呈下降的趋势[4]。有机质含量影响土壤pH值, 进而会导致AMF数量的变化[5]。相比空旷地, 植物冠下具有光照弱、含水量高、土壤有机质含量高等特点, 这将影响AMF的多样性[6]。研究表明, 光照是与AMF相关的植物潜在碳成本和碳收益决定性因素[7], 而菌根真菌以宿主植物0—20%的光合产物碳为成本维持自身生长[8]。植物与菌根之间的资源联系紧密, 表明AMF得到的碳含量可能会因遮光引起的低光照水平而受到限制[9], 但也有部分研究发现, 尽管光照环境受限制, 但还是存在大量AMF的侵染[10]。综上所述, 在应对土壤环境变化时, AMF的具体变化受多种因素影响。因而, 揭示植物、土壤和AMF之间的相互关系, 对矿区等受扰动土壤生态系统功能的恢复具有重要意义。
大叶胡枝子(Lespedeza davidii)为一种豆科灌木。该植物分布广泛、株型美观、生物量较高、根系扎根较深、抗逆性强、能进行生物固氮, 是一种良好的矿区修复植物[11]。研究表明, 植物对与其共生的AMF有一定的选择作用, 不同植物AMF菌群可能不同[12]。作为矿区常见的修复植物, 研究大叶胡枝子灌丛AMF菌群对于更好地利用该植物具有显著意义。
本文以大叶胡枝子灌丛土壤AMF群落为研究对象, 比较矿区与非矿区大叶胡枝子冠下及其相邻空旷地土壤AMF的异同, 分析不同样地土壤AMF群落的多样性及其影响因素。研究结果将揭示AMF多样性的影响机制, 以期为AMF在矿区废弃地生态修复及经营管理中的应用提供理论依据。
1 材料与方法 1.1 研究区概述湖南湘潭锰矿开采自1910年代, 至今已有100多年的历史, 长期的锰矿开采形成了大面积的锰矿废弃地。该废弃地位于27°53′—28°03′N, 112°45′—112°55′E之间(矿区样地)。该区属亚热带湿润季风气候, 为低山-丘陵地貌, 原生土壤类型为红壤。植被以自然恢复的小乔木、灌木及多年生草本为主。小乔木主要包括盐麸木(Rhus chinensis)、构(Broussonetia papyrifera)等, 灌木包括大叶胡枝子、山莓(Rubus corchorifolius)、楤木(Aralia elata)、苎麻(Boehmeria nivea)及山黄麻(Trema tomentosa)等, 草本植物以五节芒(Miscanthus floridulus)、野胡萝卜(Daucus carota)、鸡眼草(Kummerowia striata)、狗牙根(Cynodon dactylon)和五月艾(Artemisia indica)等适应范围广泛、耐受性强的物种为主。
为更好弄清环境条件对大叶胡枝子AMF多样性的影响, 本研究选择位于韶山市杨林乡大马塘烟溪水库附近(27°58′30.94″N, 112°32′23.02″E)的大叶胡枝子灌丛作为非矿区样地(非矿区样地)。该区植被以自然生长的大叶胡枝子占优势, 灌木有檵木(Loropetalum chinense)和金樱子(Rosa laevigata)等, 草本植物有鸡眼草、五月艾和五节芒等。两个采样地位于相近经纬度, 气温、降水等自然条件接近, 且成土母质基本相同, 所采集的矿区土壤为深黑色, 非矿区土壤为棕黄色。
1.2 土壤样品采集分别在矿区和非矿区设置大叶胡枝子样地。在每个样地内分别选择10株长势良好的大叶胡枝子灌丛, 在每个灌丛冠下及相邻空旷地(无灌木存在, 距灌丛边缘距离超过1.0 m) 各设置1个0.5 m×0.5 m的土壤样品采集样方, 每种生境类型设置10个样方, 4种生境类型共计设置40个样方。
土样采集时, 首先去除土壤表层的苔藓、凋落物等覆盖物。接着使用酒精擦拭采样器, 待酒精挥发完全后开始采集。采集时, 在每个样方内的四角及中心再设置5个小样方, 采集根围土壤, 采样深度达20 cm。同一样方五点混合取样(等量混合), 去除样品中的植物、可见动物以及石粒等。后续每次更换样方均需重复此步骤。随后将同一样地内的10株大叶胡枝子的根际土样混合均匀作为一个根际土壤样品, 挖取1 kg左右的土壤, 装入做好标记的封口袋, 放入随身携带的保温盒(带冰袋)中。
每个样品做5次重复, 共采集20份土壤样品。混合好的土壤样本, 过2 mm筛。一部分土壤风干后4℃收存, 用于测定土壤理化性质；一部分土壤分装处理, 5个/组进行生物学重复(避免出现异常样本, 剔除后无法用于后续分析), 应有20组共100份, 每份1—3 g, 随后转移至-80℃冰箱保存, 送至上海美吉生物医药科技有限公司进行ITS测序。
1.3 土壤理化性质测定采用常规方法测定土壤理化性质[13], 其中, 土壤pH值：采用酸度计法；土壤有机质：用重铬酸钾水合加热法；土壤全氮：用凯式半微量定氮法；土壤全磷：用钼锑抗比色法；土壤锰含量：用火焰原子吸收分光光度法。土壤理化性质测定结果见表 1。
| 采样点Sample site | 经纬度Coordinate | 锰含量Manganese content/(mg/kg) | pH | 有机质Organic matter/(g/kg) | 全氮Total nitrogen/(g/kg) | 全磷Total phosphorus/(g/kg) |
| KG | 27°53′—28°03′N, 112°45′—112°55′E | 70687.5±8964.61a | 7.34 | 18.25±1.25b | 0.92±0.11b | 0.06±0.05a |
| KK | 27°53′—28°03′N, 112°45′—112°55′E | 79170±11678.83a | 7.19 | 23.92±3.34ab | 1.01±0.01ab | 0.19±0.26a |
| FG | 27°58′30.94′′N, 112°32′23.02′′E | 909.33±34.24b | 8.23 | 27.86±6.45a | 1.06±0.07a | 0.14±0.1a |
| FK | 27°58′30.94′′N, 112°32′23.02′′E | 684.83±22.77b | 8.12 | 25.04±4.41ab | 0.97±0.05ab | 0.11±0.09a |
| KG：矿区冠下土壤Soil under the crown of mining area；KK：矿区相邻空旷地土壤Soil in the adjacent open land of mining area；FG：非矿区冠下土壤Soil under the crown of non-mining area；FK：非矿区相邻空旷地土壤Soil in the adjacent open land of non-mining area；不同小写字母表示差异显著(P < 0.05) | ||||||
完成基因组DNA抽提后, 利用1%琼脂糖凝胶电泳检测抽提的基因组DNA。按指定测序区域, 合成带有barcode的特异引物, 引物序列为ITS1F(5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3′)和ITS2R(5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′)[14]。荧光定量PCR并构建Miseq文库, 通过Miseq测序得到的PE reads首先根据overlap关系进行拼接, 同时对序列质量进行质控和过滤, 区分样本后进行OTUs的聚类分析和物种分类学分析。
1.5 数据分析利用Flash(1.2.11)和Prinseq(0.20.4)分别进行序列拼接和质量控制过滤。按序列间距离对序列进行归类, 利用CROP方法以97%相似性分类OTUs。使用Qiime软件(Version 1.9.1)计算AMF多样性指数；运用SPSS(26.0)进行单因素方差分析比较不同样地土壤AMF群落多样性指数间的差异, Spearman相关性分析描述AMF多样性指数与土壤理化性质的相关性。
2 结果与分析 2.1 土壤AMF分类由表 2可知, 12个土壤样本共得到2961个OTU, 其中属于AMF的OTU为66个。Silva数据库进行比对显示共有7目, 其中已鉴定到原囊霉目Archaeosporales的OTU为2个, 多样孢囊霉目Diversisporales的OTU为8个, 巨孢囊霉目Gigasporales的OTU为3个, 球囊霉目Glomerales的OTU为20个, 类球囊霉目Paraglomerales的OTU为3个。这些AMF属于10科16属24种。其中已鉴定到原囊霉属Archaeospora 1种, 多样孢囊霉属Diversispora 1种, 内养囊霉属Entrophospora 2种, 巨孢囊霉属Gigaspora 1种, 多氏囊霉属Dominikia 2种, 斗管囊霉属Funneliformis 1种, 球囊霉属Glomus 2种, 根孢囊霉属Rhizophagus 1种, 类球囊霉属Paraglomus 1种[15]。
| 目Orders | 科Families | 属Genera | 种Species |
| 原囊霉目Archaeosporales | 原囊霉科Archaeosporaceae | 原囊霉属Archaeospora | Archaeospora sp. |
| 多样孢囊霉目Diversisporales | 多样孢囊霉科Diversisporaceae | 多样孢囊霉属Diversispora | 地表多样孢囊霉Diversispora epigaea |
| 内养囊霉属Entrophospora | 稀有内养囊霉Entrophospora infrequens | ||
| Entrophospora sp. | |||
| 巨孢囊霉目Gigasporales | 巨孢囊霉科Gigasporaceae | 巨孢囊霉属Gigaspora | 球状巨孢囊霉Gigaspora margarita |
| 球囊霉目Glomerales | 球囊霉科Glomeraceae | 多氏囊霉属Dominikia | 伯尔尼多氏囊霉Dominikia bernensis |
| Dominikia sp. | |||
| 斗管囊霉属Funneliformis | Funneliformis sp. | ||
| 球囊霉属Glomus | 印氏球囊霉Glomus indicum | ||
| Glomus sp. | |||
| 根孢囊霉属Rhizophagus | 明根孢囊霉Rhizophagus clarus | ||
| Glomeraceae sp.; Glomerales sp. | |||
| 类球囊霉目Paraglomerales | 类球囊霉科Paraglomeraceae | 类球囊霉属Paraglomus | Paraglomus sp. |
| Paraglomerales sp.; Glomeromycota sp. | |||
| AMF：丛枝菌根真菌Arbuscular mycorrhizal fungi | |||
属水平上, 总体AMF丰度为矿区相邻空旷地土壤>矿区冠下土壤>非矿区冠下土壤>非矿区相邻空旷地土壤；除了矿区空旷地AMF丰度显著高于非矿区相邻空旷地土壤外(P < 0.05), 其他各样地之间的差异均不显著(P>0.05)。其中, 4个样地的AMF在属水平分别为9、10、9、5属。种水平上, 总体AMF丰度趋势同样为矿区相邻空旷地土壤>矿区冠下土壤>非矿区冠下土壤>非矿区相邻空旷地土壤。其中, 四个样地的AMF在种水平分别为11、14、11、7种。
2.3 不同样地土壤AMF群落多样性分析由表 3可知, 所有样本文库的覆盖度均达到99%以上, 说明绝大部分真菌序列能被检出, 测序结果较好地代表了样本中微生物的真实情况, 各样地土壤AMF的多样性指数较高。矿区土壤AMF群落的Shannon指数、Simpson指数高于非矿区土壤, 其中矿区与非矿区相邻空旷地土壤AMF群落的多样性指数存在显著差异。
| 采样点Sample site | 97%相似水平Similarity of 97% | ||||
| Sobs指数Sobs index | 香农指数Shannon index | 辛普森指数Simpson index | Ace指数Ace index | Chao1指数Chao1 index | |
| KG | 5.67±1.15a | 1.4±0.25ab | 0.73±0.11ab | 11.54±5.09ab | 7.11±2.52ab |
| KK | 6.67±1.53a | 1.67±0.32a | 0.83±0.08a | 9.55±2.5ab | 9.08±3.76a |
| FG | 5.33±0.58ab | 1.33±0.17ab | 0.7±0.09ab | 13.46±6.64a | 7.17±1.04ab |
| FK | 3.33±1.15b | 0.93±0.3b | 0.56±0.12b | 3.58±1.42b | 3.33±1.15b |
由图 1可知, 在四个样地里, 矿区冠下土壤AMF群落的丰度排名前五位的优势种分别为Unclassified Glomerales 1(加序号1以示与以下的同目AMF区别, 下同), Glomeromycota sp., 稀有内养囊霉(Entrophospora infrequens), Archaeospora sp.和Paraglomerales sp.。矿区相邻空旷地的优势种前五位分别为Unclassified Glomerales 2, Entrophospora sp., 稀有内养囊霉, Glomeraceae sp.和Glomeromycota sp.。非矿区冠下的优势种前五位分别为Funneliformis sp., 稀有内养囊霉, Unclassified Glomerales 3, Glomeraceae sp.和Unclassified Glomeraceae。非矿区相邻空旷地的优势种前五位分别为Unclassified Glomerales 4, Glomeraceae sp., Glomerales sp., 稀有内养囊霉和Unclassified Glomeraceae。
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| 图 1 不同样地土壤AMF种水平群落组成 Fig. 1 Species composition of AMF at the species level in different soils Unclassified Glomerales 1：未定到科的球囊霉目真菌1；Unclassified Glomerales 2：未定到科的球囊霉目真菌2；Unclassified Glomerales 3：未定到科的球囊霉目真菌3；Unclassified Glomerales 4：未定到科的球囊霉目真菌4；Entrophospora infrequens：稀有内养囊霉；Funneliformis sp.：斗管囊霉属真菌；Glomeraceae sp.：球囊霉科真菌；Glomeromycota sp.：球囊霉门真菌；Unclassified Glomeraceae：未定到属的球囊霉科真菌；Entrophospora sp.：内养囊霉属真菌；Glomerales sp.：球囊霉目真菌；Archaeospora sp.：原囊霉属真菌；Paraglomerales sp.：类球囊霉目真菌；KG：矿区冠下土壤；KK：矿区相邻空旷地土壤；FG：非矿区冠下土壤；FK：非矿区相邻空旷地土壤 |
由图 2可知, 将样本划分为四个显著不同的类群, 表明不同样地土壤AMF群落组成有明显不同。矿区土壤AMF群落保持相对一致的多样性, 非矿区土壤AMF群落相似程度同样保持一致。热图中色块颜色代表某一个属相对丰度的大小。结果表明, 不同样地土壤中前5位属类组成存在差异。矿区冠下与相邻空旷地土壤优势属更加相似, 矿区土壤样本中的大部分优势属是Unclassified Glomerales及内养囊霉属。而非矿区冠下土壤样本中的大部分优势属是斗管囊霉属及内养囊霉属, 而非矿区空旷地土壤样本中的大部分优势属是Unclassified Glomerales。
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| 图 2 不同样地土壤AMF属水平群落组成热图 Fig. 2 Heatmap of species composition of AMF at the genus level in different soils Gigaspora：巨孢囊霉属；Paraglomus：类球囊霉属；Septoglomus：隔球囊霉属；Dominikia：多氏囊霉属；Glomus：球囊霉属；Unclassified Glomeromycota：未定到纲的球囊霉门真菌；Archaeospora：原囊霉属；Unclassified Paraglomerales：未定到科的类球囊霉目真菌；Diversispora：多样孢囊霉属；Rhizophagus：根孢囊霉属；Unclassified Gigasporaceae：未定到属的巨孢囊霉科真菌；Unclassified Glomeromycetes：未定到目的球囊菌纲真菌；Funneliformis：斗管囊霉属；Unclassified Glomeraceae：未定到属的球囊霉科真菌；Unclassified Glomerales：未定到科的球囊霉目真菌；Entrophospora：内养囊霉属 |
基于Bray-Curtis距离对不同样地土壤AMF群落组成进行非度量多维尺度(Non-metric multidimensional scaling, NMDS)分析, 结果表明矿区和非矿区土壤AMF群落组成存在差异, 矿区冠下与相邻空旷地土壤之间物种组成比较相似, 而非矿区冠下与相邻空旷地土壤之间物种组成差异显著。土壤AMF群落的Beta多样性在矿区土壤间存在明显的聚集效应, 在非矿区表现出显著的分离效应(图 3)。
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| 图 3 不同样地土壤AMF的非度量多维尺度(NMDS) 分析 Fig. 3 The non-metric multidimensional scaling (NMDS) analysis of AMF in different soils |
基于unweighted UniFrac distances的主坐标分析(Principal co-ordinates analysis, PCoA)表明, 相较于非矿区土壤, 矿区土壤AMF群落组成相似度较高(图 4)。
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| 图 4 不同样地土壤AMF的主坐标分析(PCoA) Fig. 4 The principal co-ordinates analysis (PCoA) of AMF in different soils |
冗余分析表明, 土壤理化性质能够解释33.98%的变异信息, 不同样地土壤AMF群落与环境因子的相关性存在差异, 其中, 第一排序轴解释了21.61%的信息, 第二排序轴解释了12.37%的信息(图 5)。
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| 图 5 不同样地土壤AMF群落与环境因子的冗余分析(RDA) Fig. 5 The redundancy analysis (RDA) between AMF community and environmental factors in different soils Mn：锰含量；pH：土壤酸碱度；OM：有机质；TN：全氮；TP：全磷 |
从表 4可以看出土壤的全磷含量在轴1中起到主导作用, 贡献率为0.9226。
| 环境因子Environmental factor | 轴1贡献率Contributive rate of RDA1 | 轴2贡献率Contributive rate of RDA2 | 环境因子Environmental factor | 轴1贡献率Contributive rate of RDA1 | 轴2贡献率Contributive rate of RDA2 | |
| Mn | -0.8478 | 0.5303 | TN | 0.8494 | 0.5277 | |
| pH | 0.8915 | -0.4531 | TP | 0.9226 | 0.3857 | |
| OM | 0.7498 | 0.6616 | ||||
| RDA：冗余分析Redundancy analysis；Mn：锰含量Manganese content；pH：土壤酸碱度Soil acidity and alkalinity；OM：有机质Organic matter；TN：全氮Total nitrogen；TP：全磷Total phosphorus | ||||||
由图 6可知, 通过分析不同的环境因子对不同样地土壤AMF群落组成的影响, 结果表明, AMF群落同时受到锰含量、土壤pH值以及全磷含量的影响, 不同土壤AMF群落受锰含量、土壤pH值以及全磷含量影响的情况存在差异。其中, Unclassified Glomeromycota与锰含量呈显著正相关, 与土壤pH值呈显著负相关性, 说明锰含量的升高和土壤pH值的下降影响Unclassified Glomeromycota的丰度。斗管囊霉属Funneliformis与土壤pH值呈极显著正相关性, 非矿区冠下的优势属为斗管囊霉属, 其在非矿区冠下的小生境生长良好, 说明此生境条件偏碱性的土壤pH值利于该属AMF群落的形成。而原囊霉属Archaeospora及Unclassified Paraglomerales与土壤pH值呈显著负相关性, 说明其适合生存于较低pH值的土壤中。
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| 图 6 不同样地土壤AMF群落与环境因子相关性热图 Fig. 6 Heatmap of correlation between AMF community and environmental factors in different soils Septoglomus：隔球囊霉属；Paraglomus：类球囊霉属；Dominikia：多氏囊霉属；Unclassified Gigasporaceae：未定到属的巨孢囊霉科真菌；Glomus：球囊霉属；Gigaspora：巨孢囊霉属；Rhizophagus：根孢囊霉属；Diversispora：多样孢囊霉属；Unclassified Glomeromycetes：未定到目的球囊菌纲真菌；Archaeospora：原囊霉属；Unclassified Paraglomerales：未定到科的类球囊霉目真菌；Unclassified Glomeromycota：未定到纲的球囊霉门真菌；Funneliformis：斗管囊霉属；Unclassified Glomeraceae：未定到属的球囊霉科真菌；Entrophospora：内养囊霉属；Unclassified Glomerales：未定到科的球囊霉目真菌 |
土壤AMF多样性为土壤中AMF种类及数量的丰富程度, 受到土壤理化性质、光照等的影响, 它对植物在胁迫条件下的生长起着至关重要的作用。本文研究结果显示各样地土壤AMF的物种多样性表现为：矿区相邻空旷地土壤>矿区冠下土壤>非矿区冠下土壤>非矿区相邻空旷地土壤。孙东年等[16]研究显示, 电子废弃物拆解、倾倒造成的重金属污染区土壤AMF多样性高于邻近低污染区, 本研究结果与此趋势一致。这说明较高的重金属胁迫并不一定降低土壤AMF群落多样性。其原因可能是该区的一些耐性较强的AMF, 例如物种数较多的内养囊霉属[17], 高浓度的锰刺激了重金属耐受型AMF(例如内养囊霉属)的生长, 导致该区域土壤AMF多样性要高于邻近区域。再如, Wei等[18]研究表明, 即使在锰污染最严重的地点, 球囊霉属与植物的菌根共生体也能成功建立, 且球囊霉属是锰污染样地土壤AMF群落中的优势属。另外, 研究也表明球囊霉目对生物胁迫下的植物的营养效益更高[18]。本研究球囊霉目的OTU有20个, 其数量在目级水平最多。这些充分说明耐受性较强的AMF的存在大大提高了矿区AMF多样性。另外, 矿区相邻空旷地土壤上依然生长着鸡眼草、野胡萝卜、狗牙根和五月艾等锰耐受性较强的草本植物, 我们通过在锰矿区采集植物根际土壤, 并利用湿筛法和孢子形态学鉴定研究表明这些草本植物能与多种AMF共生。例如, 在鸡眼草根际土壤中分离得到双网无梗囊霉(Acaulospora bireticulata)和缩隔球囊霉(Septoglomus constrictum)；在野胡萝卜根际土壤中分离得到疣壁盾巨孢囊霉(Scutellospora verrucosa)；在狗牙根和五月艾的根际土壤中均分离得到摩西斗管囊霉(Funneliformis mosseae)。因此, 矿区相邻空旷地土壤相比冠下仍然具有较高的AMF多样性。
AMF与植物形成的共生体系, 二者具有紧密联系, 地上植被可对AMF群落组成与数量产生关键影响。影响土壤微生物群落变化的因素包括土壤理化性质的改变, 以及土壤是否有植被或凋落物覆盖等。植被的覆盖对太阳辐射有遮蔽作用, 地表温度降低会使地表水分蒸发量减少, 随即影响冠下土壤的含水率, 从而影响微生物群落的多样性。而凋落物也会给土壤提供遮蔽, 改变小生境。本研究结果表明, 非矿区冠下土壤AMF的丰度高于相邻空旷地。研究表明, 上层树冠的覆盖会改善冠下土壤微环境, 如促进有机质积累以及化感物质的释放等, 这有助于AMF生长[19]。例如, 魏源等[20]对喀斯特森林土壤AMF的研究表明, 土壤有机质对AMF的发生和产孢具有很大影响, 这是导致AMF多样性指数和物种丰富度差异显著的主要原因。任爱天等[21]的研究表明, 土壤的有机质有利于AMF的发育, 在一定域值范围内AMF的数量会随有机质含量的升高而增多。因而, 上层树冠可提高AMF多样性。植物在生长过程中, 会与根系周围环境频繁交换养分和水分, 导致根际土壤的微环境与非根际土壤存在差别[22]。这说明根际AMF多样性的差异可能与植物的“根际效应”有关[23—24]。另外, 树冠的遮蔽作用, 太阳辐射减少, 蒸腾失水随之减少, 冠下土壤AMF群落相对于空旷地土壤AMF群落形成了较好的微生境, 从而有利于AMF生长[25]。同时, 有研究表明, 化感物质在植物与土壤微生物之间起到信号传导作用, 植物可能通过分泌化感物质促进其与AMF共生[26], 从而影响AMF多样性。这些可能是导致土壤AMF群落多样性及丰富度存在差异的原因。
3.2 土壤AMF优势种AMF种类与数量受到植物种类、土壤理化性质等影响。本研究结果显示内养囊霉属为4个样地土壤AMF群落共有的优势属, 稀有内养囊霉为共有的优势种。Rai等[27]发现内养囊霉属对各生境条件下植物根部均具有高定殖率, 并认为该属真菌适应范围广, 为广谱生态型属。李新川[28]对不同草地AMF多样性的研究表明, 内养囊霉属耐性和抗性很强, 在恶劣的环境中也能与植物共生生长。李华健等[29]对河北峰峰矿区的研究也发现, 稀有内养囊霉在当地优势度高, 为广谱生态型种。本研究利用从野外采集的土壤, 在分离、鉴定的基础上, 应用分离的AMF与白车轴草(Trifolium repens)共生在锰胁迫梯度(0、10mmol/L、20 mmol/L)的基础上进行单孢培养, 检测植物侵染率及孢子产率。结果表明内养囊霉属在不同锰浓度下侵染率及孢子产量无显著差别(P>0.05)。本研究结果与这些研究报导一致, 这进一步说明了内养囊霉属为广谱生态型属, 稀有内养囊霉为广谱生态型种, 值得我们进一步研究。
本研究结果显示Archaeospora sp.和Paraglomerales sp.为矿区冠下的优势种, 不是非矿区的优势种, 这说明这2种AMF都对重金属胁迫存在很强的适应性。Wu等[30]和Verma等[31]研究表明, 原囊霉科(Archaeosporaceae)为尾矿场地的优势科, 其对尾矿高胁迫环境具有很强的耐受性, 原囊霉科的AMF可能存在抵御胁迫的机制。本研究中处于原囊霉科的Archaeospora sp.仅在矿区出现的结果与此一致。这说明原囊霉属的AMF为耐受性的种类。Paraglomerales sp.隶属于类球囊霉目, 该目为单科单属目。Wu等[30]研究表明, 类球囊霉科(Paraglomeraceae)在尾矿场地作为优势科出现, 在一些采样点的丰度甚至超过了50%。贾彤等[32]显示类球囊霉科在铜尾矿丰度可达23%, 显示该科有较强的适应胁迫能力。本研究结果与这些研究报导一致, 均说明类球囊霉科为锰耐受性较强的AMF。
本研究还表明, 斗管囊霉属为非矿区冠下的优势属, Funneliformis sp.为非矿区冠下的优势种。Pawlowska等[33]和张旭红等[34]的研究均表明在高浓度重金属胁迫处理下, 植物难以被AMF侵染, 这是由于高浓度的重金属会抑制AMF活性。本研究结果与此类似, 其原因可能是Funneliformis sp.锰耐受性不够强, 在高锰浓度条件下受到抑制。另外, 陈飞[35]对星星草的研究结果表明, 摩西斗管囊霉的侵染能力对宿主植物有一定的偏好性；金中财[36]对不同生境AMF群落的研究表明, Funneliformis sp.为灌丛生境的指示物种, 说明它对宿主植物有一定的选择性。刘雅洁等[12]研究表明, 植物根系特征与某些AMF的分布高度相关, 本研究结果与此一致。本研究显示, Funneliformis sp.仅在非矿区冠下土壤被发现, 其存在可能与大叶胡枝子的根系有关, 说明宿主植物大叶胡枝子可能对Funneliformis sp.具有一定的选择性或亲和性。在未来的植物修复计划中, 可以考虑在大叶胡枝子中接种此种AMF, 以提高修复效率。
3.3 AMF与环境因子的关系环境因子, 包括土壤理化性质等, 是影响AMF的主要因素。不同的AMF的生物学特性不同, 对环境的适应性也不同。这些反映了土壤理化因子与AMF多样性之间的关系可能会因立地条件及植被类型而改变[37—39]。本研究结果表明, 土壤AMF受到锰含量、pH值、全磷含量等多方面因素的显著影响, 其中原囊霉属Archaeospora的丰度与锰含量呈正相关。一般研究认为, 胁迫越强, AMF丰度越低[40]。本研究结果说明原囊霉属Archaeospora对Mn污染的耐受性强。需要更多的研究揭示原囊霉属Archaeospora抵御胁迫的机制, 并应用于矿山恢复实践中[30]。
本研究还显示, 原囊霉属Archaeospora的丰度与土壤pH值呈显著负相关(P < 0.05), 优势种Funneliformis sp.的丰度与土壤pH值呈极显著正相关(P < 0.01)。有研究表明, 不同AMF种的最适pH不同, 球囊霉属会更适应碱性和中性土壤[41]。原囊霉属Archaeospora的丰度与土壤pH值呈显著负相关, 说明该AMF适宜酸性环境；Funneliformis sp.的丰度与土壤pH值呈正相关, 说明该AMF适应生长于碱性环境。因而, pH值是影响矿区AMF生长的关键因子。另外, 大叶胡枝子灌丛形成的隐蔽对地面小生境的改变, 也可能导致某些AMF特异种的出现, 从而改变AMF群落的组成和结构[42]。综上所述, 样地环境因子的差异, 是导致不同样地生长的AMF种类和数量存在差异的关键因素。
4 结论本研究结果显示, 胁迫条件下大叶胡枝子冠下土壤的AMF多样性相较于非胁迫条件的植物冠下土壤高。内养囊霉属为4个样地土壤AMF群落共有的优势属, 稀有内养囊霉为共有的优势种, 均为广谱生态型。矿区冠下的优势种为Archaeospora sp.和Paraglomerales sp., 说明其都对重金属胁迫存在很强的适应性。非矿区冠下的优势种为Funneliformis sp.。AMF的种类和数量受到土壤锰含量、土壤pH值以及全磷含量的影响。矿区的优势属具有较强的锰耐受性, 是将来植物与微生物修复重要的备选种源, 值得深入研究。
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