当归种植与菌根接种:修复微量元素污染土壤微生物生态的新希望

《Applied Soil Ecology》:Angelica cultivation and mycorrhizal inoculation improve microbial diversity, functions and network complexity of trace elements-polluted soil: A three-year field study

【字体: 时间:2025年04月22日 来源:Applied Soil Ecology 4.8

编辑推荐:

  当前,土壤受微量元素(TE)污染问题严峻,影响生态与人类健康。研究人员开展了为期三年的田间研究,探究当归种植及菌根真菌(AMF)接种对污染土壤微生物群落的影响。结果表明,该方式可改善微生物多样性、功能及网络复杂性,对修复污染土壤意义重大。

  在生态环境的大舞台上,土壤微生物就像一群默默耕耘的幕后英雄,它们在土壤的养分循环、生态系统功能维持中发挥着至关重要的作用。然而,近年来,土壤污染这一 “恶魔” 却不断侵蚀着它们的家园。其中,微量元素(TE)污染尤为突出,像汞、铅、砷、镉等这些微量元素,不仅让大片土壤变得不再适宜耕种,威胁着野生动物和人类的健康,还极大地影响了土壤微生物的生存与繁衍,抑制了生态系统的正常生物进程。
为了应对这一棘手的问题,寻找有效的土壤修复方法迫在眉睫。在此背景下,种植芳香植物用于污染土壤的修复成为了一个备受关注的研究方向。而当归(Angelica archangelica L.),作为一种具有特殊潜力的芳香植物,引起了研究人员的浓厚兴趣。它不仅能在恶劣环境中顽强生长,其种子还富含高价值的精油,若能用于污染土壤修复,或许能实现生态效益与经济效益的双赢。同时,菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi,AMF)接种对植物生长和土壤修复的积极作用也广为人知。基于此,来自法国相关研究机构的研究人员开展了一项为期三年的田间研究,旨在探究当归种植与 AMF 接种对 TE 污染土壤微生物群落的影响。该研究成果发表在《Applied Soil Ecology》上,为土壤修复领域带来了新的曙光。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先,通过磷脂脂肪酸(PLFA)分析来测定土壤微生物的生物量,利用不同脂肪酸标记来区分革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、腐生真菌和 AMF 等微生物的生物量。其次,运用 DNA 提取和 Illumina MiSeq 测序技术,对土壤细菌的 16S rRNA 基因和真菌的 ITS 区域进行扩增测序,从而深入分析微生物群落的多样性和结构。此外,借助生物信息学处理手段,对测序数据进行处理和分析,计算多样性指数、进行分类学注释等。同时,利用 Biolog EcoPlates 评估土壤细菌的代谢潜力,通过共发生网络分析探究微生物群落成员之间的关系 。

下面来看看具体的研究结果:

  • 细菌生物量增加:研究发现,经过三年的种植,当归显著增加了 TE 污染土壤中细菌的生物量。在初始状态下,土壤中细菌生物量占主导,但随着种植时间的推移,革兰氏阴性菌和部分情况下革兰氏阳性菌的生物量显著上升,而真菌生物量保持稳定。这使得真菌 / 细菌(F/B)比值下降,处于法国土壤较低范围,表明土壤微生物群落结构发生了明显变化。
  • 细菌多样性改变:随着种植时间的延长,土壤细菌的多样性(以香农指数衡量)显著增加,而细菌丰富度没有明显变化。主坐标分析(PCoA)显示,2021 年的土壤细菌群落与初始状态和 2020 年相比,结构发生了显著改变,形成了独特的聚类,但 AMF 接种对细菌群落结构的影响并不明显。对于真菌群落,其多样性和丰富度在整个研究期间保持相对稳定,不过 2021 年土壤真菌群落结构与初始状态和 2020 年相比有明显差异,且 AMF 接种同样对真菌群落结构影响不大。
  • 微生物群落组成变化:在细菌群落组成方面,Actinobacteriota、Proteobacteria 等几个主要菌门在所有条件下占主导地位。种植过程中,这些菌门的相对丰度发生了变化,例如 2020 年 Actinobacteriota 的丰度增加,2021 年 Proteobacteria 等多个菌门的丰度上升。一些具有 TE 耐受性和修复潜力的细菌属,如 Pseudarthrobacter、Sphingomonas 等的丰度也有所增加。真菌群落中,Ascomycota 和 Basidiomycota 是主要的菌门。种植后,Ascomycota 的丰度下降,而 Basidiomycota 和 Mortierellomycota 的丰度上升,同时一些关键真菌属的丰度也发生了改变。
  • 微生物网络复杂性增强:通过构建微生物共发生网络发现,随着种植年份的增加和 AMF 接种,微生物之间的共发生关系显著增加,网络复杂性提高。2021 年,网络中的节点和边数量大幅增加,且正相关边的比例在接种处理中先下降后上升,超过了初始值,表明微生物之间的相互作用更加复杂和紧密。
  • 土壤代谢功能改善:在土壤代谢功能方面,碳水化合物是土壤微生物最常利用的底物,当归种植显著提高了土壤微生物对所有底物的代谢潜力。同时,研究发现 C 循环基因在所有土壤处理中占主导地位,AMF 接种显著增加了 C 循环基因的丰度,以及参与发酵和芳香化合物降解的基因丰度。此外,虽然真菌营养类型的总体差异不显著,但在不同年份,一些真菌营养类型的相对丰度发生了变化,如寄生真菌减少,而木腐菌、土壤腐生菌等增加,这可能与土壤中有机物质的积累和改善有关。

研究结论和讨论部分指出,在 TE 污染的土壤中,Actinobacteriota、Proteobacteria 和 Ascomycota 始终是主要的微生物类群。当归种植显著增加了细菌的生物量和多样性,虽然对真菌多样性和丰富度影响不大,但腐生真菌的相对丰度显著增加。种植时间的延长增强了微生物群落间的相互作用网络复杂性,提高了正相互作用的数量。同时,C 代谢相关基因的相对丰度增加,参与有机物质降解的腐生真菌也有所增加。AMF 接种进一步改善了微生物网络的结构,增加了节点和边的数量,以及正边的比例 。

这项研究意义重大,它揭示了当归种植和 AMF 接种对 TE 污染土壤微生物群落的积极影响,为污染土壤的生态修复提供了新的策略和理论依据。通过合理利用当归种植和菌根接种技术,有望实现对污染土壤的有效修复,恢复土壤生态系统的功能,保障土壤健康,为农业可持续发展和生态环境保护做出重要贡献。这一研究成果为土壤修复领域开辟了新的道路,让我们在应对土壤污染问题上有了更有力的 “武器”。

下载安捷伦电子书《通过细胞代谢揭示新的药物靶点》探索如何通过代谢分析促进您的药物发现研究

10x Genomics新品Visium HD 开启单细胞分辨率的全转录组空间分析!

欢迎下载Twist《不断变化的CRISPR筛选格局》电子书

单细胞测序入门大讲堂 - 深入了解从第一个单细胞实验设计到数据质控与可视化解析

下载《细胞内蛋白质互作分析方法电子书》

相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博

今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

版权所有 生物通

Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

联系信箱:

粤ICP备09063491号