生物安全学报杂志投稿格式参考范文：根际细菌在长刺蒺藜草氮素利用中的作用

　　引言

　　长刺蒺藜草为禾本科蒺藜草属一年生草本植物，原产于北美洲及热带沿海地区，是危害性极大的外来入侵植物，在国内主要分布于辽宁、内蒙古、吉林三省交会地区，面积超过 100 万 hm²。其具有耐旱、耐贫瘠特性，可形成单一优势群落，抑制牧草生长，降低草场品质，刺苞还会危害牲畜健康，被列入《重点管理外来入侵物种名录》。

　　目前，外来植物入侵机制研究集中在营养元素利用、根际微生物群落等方面。国内对长刺蒺藜草的入侵影响、防治技术等已有研究，近年也有其氮素利用机制的相关探索，如解磷菌数量增加、氮矿化速率改变等，但对根际细菌(尤其是固氮菌)的作用缺乏深入探讨。因此，本研究利用高通量测序技术分析长刺蒺藜草与伴生牧草根际土壤细菌及固氮菌的差异，揭示其入侵的微生态学机理。

　　1 材料与方法

　　1.1 试验材料

　　供试植物：长刺蒺藜草种子采自吉林通榆县玉米田周边;伴生植物为披碱草、狗尾草、冰草，种子购于北京金土地农业技术研究所。种子经 2% NaClO 消毒后备用。

　　供试土壤：采自辽宁彰武县科尔沁沙地南缘，为原位砂质土，去除表层 2 cm 土壤后，采集 2~10 cm 土层土壤，过 1 mm 筛备用。

　　主要试剂及仪器：土壤基因组 DNA 提取试剂盒(天根生化);PacBio 三代高通量测序平台(美国太平洋生物科学公司)。

　　1.2 试验方法

　　试验设置及采样：在实验室进行盆栽试验，以原位砂质土为基质，设置 4 个处理(T1 冰草、T2 长刺蒺藜草、T3 狗尾草、T4 披碱草)，每处理 5 个重复。培养期为 2022 年 12 月 10 日 —2023 年 1 月 26 日，采集根际土壤样品，部分送测序，部分风干测定理化性质。

　　土壤理化性质测定：包括 pH 值、硝态氮、铵态氮、全氮、全磷、全钾等指标，分别采用电极法、流动注射法、半微量开氏法等测定。

　　高通量测序：以土壤 DNA 为模板扩增 16S rRNA 和 nifH 基因，构建文库后利用 Illumina Hiseq 平台测序，对数据进行拼接、筛选、OTU 聚类及多样性分析。

　　1.3 数据分析

　　利用 Excel 处理数据，SPSS 进行方差分析及多重比较;Illumina 测序数据经质控、拼接后，利用 DADA2/Deblur 等方法处理，获得 ASV 信息，进行物种分类、多样性及差异分析，使用美吉生信云平台进行生物信息学分析。

　　2 结果与分析

　　2.1 根际土壤的理化性质比较

　　冰草、长刺蒺藜草、狗尾草处理的土壤全氮含量显著高于披碱草;冰草处理的全磷、有效磷含量最高;长刺蒺藜草处理的水溶性氮含量显著低于冰草;披碱草处理的全钾含量显著高于狗尾草;披碱草、狗尾草处理的 pH 值较高;冰草、长刺蒺藜草处理的硝态氮含量显著高于狗尾草和披碱草;狗尾草处理的铵态氮含量最高。

　　2.2 根际土壤微生物和固氮微生物群落样本层级聚类分析

　　基于 Bray_Curtis 距离的层级聚类显示，长刺蒺藜草与冰草处理的微生物种群相似性最高，狗尾草次之，披碱草最低;固氮菌群落中，长刺蒺藜草与冰草相似性最高，披碱草次之，狗尾草最低。

　　2.3 根际土壤微生物和固氮微生物群落 PCA 分析

　　PCA 结果表明，冰草、长刺蒺藜草、狗尾草处理的微生物群落与披碱草明显区分，长刺蒺藜草与狗尾草微生物群落结构相似性最高;固氮微生物群落中，长刺蒺藜草与冰草相似性最高。

　　2.4 根际土壤微生物和固氮微生物群落 Venn 图分析

　　根际土壤微生物 4 个处理共有 OTU 为 391 个，披碱草群落数最高(610 个)，长刺蒺藜草最低(528 个)，长刺蒺藜草特有 OTU 为 25 个;固氮微生物共有 OTU 为 15 个，狗尾草群落数最高(28 个)，披碱草最低(20 个)，长刺蒺藜草特有 OTU 为 1 个。

　　2.5 根际土壤微生物和固氮微生物群落 Bar 图分析

　　门水平上，变形菌门、放线菌门、酸杆菌门、绿弯菌门在微生物群落中丰度较高;变形菌门、厚壁菌门在固氮微生物群落中丰度较高。

　　2.6 根际土壤微生物和固氮微生物群落组比较分析

　　属水平上，长刺蒺藜草处理的链霉菌属丰度高于其他处理，微枝形杆菌属丰度较低;固氮微生物中，长刺蒺藜草的芽孢杆菌、鱼腥藻丰度高于其他处理。

　　2.7 根际土壤微生物和固氮微生物群落 LEfSe 分析

　　固氮菌群落中，厚壁菌门、芽孢杆菌纲、芽孢杆菌目、芽孢杆菌科、芽孢杆菌属、蓝细菌门、念珠藻目、念珠藻科、鱼腥藻属在长刺蒺藜草处理中显著富集(LDA 阈值 4)。

　　2.8 根际土壤微生物和固氮微生物群落相关性 Heatmap 图分析

　　微生物群落中，鞘氨醇单胞菌属与水溶性氮负相关，硝化螺旋菌属与硝态氮正相关;固氮菌群落中，阿菲波菌属与全氮负相关，鱼腥藻、固氮菌与全氮正相关，芽孢杆菌、鱼腥藻与硝态氮正相关。

　　3 讨论

　　入侵植物可通过改变土壤微生态促进入侵，如美洲商陆、互花米草等案例。本研究发现，长刺蒺藜草入侵提高了土壤全氮和硝态氮含量，降低水溶性氮和铵态氮含量，其根际细菌及固氮菌群落与伴生植物差异显著，与冰草、狗尾草相似性较高。

　　变形菌门、放线菌门、酸杆菌门等可能是长刺蒺藜草氮素利用的主要细菌群落，硝化螺旋菌属与硝态氮正相关，对氮素利用影响大。固氮菌中，芽孢杆菌、蓝藻、念珠藻、鱼腥藻显著富集，可能起重要作用。长刺蒺藜草通过改变土壤环境、根系分泌固氮酶等机制适应贫瘠生境，本研究为其入侵的生态学机理提供了理论基础。

马 涛;宋 振;付卫东;张 岳;王忠辉;袁至立;王 伊;张国良,中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,202401