稻蟹共生系统根际土壤菌群组成及主要代谢通路分析

doi:10.15933/j.cnki.1004-3268.2022.03.009

摘要/Abstract

摘要： 为明确稻蟹共生系统中水稻根际土壤微生物群落组成及主要代谢通路，以水稻单作为对照（CK），利用Illumina NovaSeq测序平台对2种稻田成熟期的根际土壤进行宏基因组测序，分析土壤细菌、古菌和真菌的种类、丰度差异以及微生物的主要代谢通路差异。结果表明，样品中细菌界占98.09%，古菌界占1.76%，真菌界和其他占0.15%。在细菌门水平上，2 种稻田的前4 个优势菌门均为变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）和酸杆菌门（Acidobacteria），4种优势菌门在2种稻田的相对丰度为90.86%；在细菌属水平上，位居前四的菌属在稻蟹共生系统中的相对丰度均高于CK。在古菌门水平上，共有4个优势菌门，其中稻蟹共生系统中的奇古菌门（Thaumarchaeota）相对丰度为4.41%，是CK（0.48%）的9.19倍；在古菌属水平上，甲烷螺菌属（Methanospirillum）和甲烷丝菌属（Methanothrix）共占53.63%，是主要菌属。在真菌门水平上，优势菌门均为子囊菌门（Ascomycota），稻蟹共生系统中的子囊菌门相对丰度为72.58%，是CK（64.81%）的1.12倍；在真菌属水平上，相对丰度前十的菌属中，稻蟹共生系统的毛壳菌属（Chaetomium）相对丰度为23.62%，是CK（11.88%）的1.99倍，木霉菌属（Trichoderma）相对丰度为2.56%，是CK（0.92%）的2.78倍。宏基因组测序分析结果显示，无论细菌、古菌还是真菌，稻蟹共生系统的物种数均高于CK。共有1 594 699个非冗余基因注释到KEGG代谢通路中，分属421类代谢通路，稻蟹共生系统在前20类代谢通路的相对丰度均高于CK，说明河蟹引入生物有机肥稻田后丰富了微生物的物种组成，加强了物种代谢能力。

关键词: 稻蟹共生, 根际土壤, 菌群组成, 代谢通路, 宏基因组测序

Abstract: In order to clarify the microbial community composition and major metabolic pathways of ricerhizosphere soil in rice⁃crab symbiosis system，with rice monoculture applied with bio⁃organic fertilizer as the control，the rhizosphere soil of two kinds of rice fields at mature stage was sequenced by Illumina NovaSeq sequencing platform to analyze the difference of species and abundance of bacteria，fungi and archaea，and the difference of main metabolic pathways of microorganisms. The results showed that the bacterial community accounted for 98.09%，archaeal community accounted for 1.76%，and fungal community and others accounted for 0.15%. At the level of bacterial phylum，the dominant phyla of the two paddy fields were Proteobacteria，Actinobacteria，Chloroflexi and Acidobacteria，and the sum of the relative abundance of the four dominant phyla in two paddy fields was 90.86%；At the level of bacterial genus，the relative abundances of the top four bacterial genera in rice⁃crab symbiosis system were higher than those in the control group. At the level of archaeal phylum，there were four dominant phyla.The relative abundance of Thaumarchaeota was 4.41% in rice⁃crab symbiosis system，which was 9.19 times of the control group（0.48%）；At the level of archaeal genus，Methanospirillum and Methanothrix accounted for 53.63%，which were the main genera in the samples. At the level of fungal phylum，Ascomycota was the dominant phylum.The relative abundance of Ascomycota was 72.58% in rice⁃crab symbiosis system，which was 1.12 times of the control group（64.81%）；Among the top 10 fungal genera，the relative abundance of Chaetomium in rice⁃crab symbiosis system was 23.62%，which was 1.99 times of the control group（11.88%）；Trichoderma was 2.56%，which was 2.78 times of the control group（0.92%）.The results of metagenomic sequencing analysis showed that the number of species in rice⁃crab symbiosis system was higher than that in control group，regardless of bacteria，archaea or fungi.A total of 1 594 699 non⁃redundant genes were annotated into the KEGG metabolic pathway，belonging to 421 metabolic pathways.The relative abundance of the first 20 metabolic pathways in rice⁃crab symbiosis system was higher than that in the control group，indicating that the introduction of crab into the bio⁃organic fertilizer paddy field enriched the species composition of microorganisms and enhanced the metabolic capacity of species.

Key words: Rice?crab symbiosis, Rhizosphere soil, Microflora, Metabolic pathway, Metagenome sequencing

中图分类号:

S511

宋宇. 稻蟹共生系统根际土壤菌群组成及主要代谢通路分析[J]. 河南农业科学, 2022, 51(3): 73-83.

SONG Yu. Microflora and Major Metabolic Pathways in Rhizosphere Soil of Rice⁃Crab Symbiosis System[J]. Journal of Henan Agricultural Sciences, 2022, 51(3): 73-83.

参考文献

［1］荣涵，艾军，王月，等.不同土壤耕作方式对五味子园土壤特性及植株生长的影响［J］.特种经济动植物，2020，23（3）：21⁃24.
RONG H，AI J，WANG Y，etal.Effects of different soil tillage methods on soil characteristics and plant growth in
Schisandra chinensis orchard ［J］.Special Economic Animals and Plants，2020，23（3）：21⁃24.
［2］严君，韩晓增，陆欣春，等.不同土地利用方式对黑土微生物群落功能多样性的影响［J］.土壤与作物，2019，8（4）：381⁃388.
YAN J，HAN X Z，LU X C，et al.Effects of different land use types on functional diversity of microbial communities
in mollisols［J］.Soils and Crops，2019，8（4）：381⁃388.
［3］张淑香，高子勤.连作障碍与根际微生态研究Ⅱ.根系分泌物与酚酸物质［J］.应用生态学报，2000，11（1）：153⁃157.
ZHANG S X，GAO Z Q.Continuous cropping obstacle and rhizospheric microecology Ⅱ ．Root exudates and phenolic acids［J］.Chinese Journal of Applied Ecology，2000，11（1）：153⁃157.
［4］胡小加.根际微生物与植物营养［J］.中国油料作物学报，1999，21（3）：77⁃79.
HU X J.Rhizosphere microorganisms and plant nutrition［J］.Chinese Journal of Oil Crop Sciences，1999，21（3）：77⁃79.
［5］许丽宁，徐敬棋，邵彩虹，等.再生稻根际促生菌的分离、筛选与鉴定［J］.南方农业学报，2020，51（4）：814⁃821.
XU L N，XU J Q，SHAO C H，et al.Isolation，screening and identification of plant growthpromoting rhizobacteria
from ratooning rice［J］.Journal of Southern Agriculture，2020，51（4）：814⁃821.
［6］CAI F，PANG G，LI R X，et al.Bioorganic fertilizer maintains a more stable soil microbiome than chemical fertilizer for monocropping［J］.Biol Fertil Soils，2017，53（8）：861⁃872.
［7］何劲.农业绿色生产问题研究回顾与展望：一个文献综述［J］.经济体制改革，2021（2）：81⁃87.
HE J.Review and prospect of research on agricultural green production problems：A literature review［J］.Reform of Economic System，2021（2）：81⁃87.

［8］陈璐，陈灿，黄璜，等.不同稻鱼模式对再生稻产量和品质的影响［J］.河南农业科学，2021，50（12）：32⁃38.

CHEN L，CHEN C，HUANG H，et al.Effect of different rice⁃fish modes on yield and quality of ratooning rice［J］.Journal of Henan Agricultural Sciences，2021，50（12）：32⁃38.
［9］张印，余政军，王忍，等.鸭品种对稻鸭共生系统土壤理化性质、水稻产量及经济效益的影响［J］.河南农业科学，2021，50（12）：23⁃31.
ZHANG Y，YU Z J，WANG R，et al.Effects of different duck varieties on soil physical and chemical properties，
rice yield and economic benefit of rice⁃duck symbiosis system［J］.Journal of Henan Agricultural Sciences，2021，50（12）：23⁃31.
［10］丁姣龙，孟祥杰，王忍，等.长期应用稻鳖共生系统对土壤细菌群落结构及其多样性的影响［J］.南方农业学报，2021，52（7）：1860⁃1868.
DING J L，MENG X J，WANG R，et al.Effects of long⁃term application of rice⁃turtle co⁃culture on soil bacterial community structure and diversity［J］.Journal of Southern Agriculture，2021，52（7）：1860⁃1868.
［11］马微微，陈灿，黄璜，等.垄作稻鱼鸡共生对稻田土壤养分含量及水稻产量的影响［J］.河南农业科学，2021，50（8）：9⁃17.
MA W W，CHEN C，HUANG H，et al.Effect of rice⁃fish⁃chicken symbiosis on paddy soil nutrient and rice yield under ridge cultivation［J］.Journal of Henan Agricultural Sciences，2021，50（8）：9⁃17.
［12］赵翔刚，罗衡，刘其根，等.稻田养殖沙塘鳢对稻田水体及底泥微生物群落结构及多样性的影响［J］.淡水渔业，2017，17（4）：8⁃14.
ZHAO X G，LUO H，LIU Q G，et al.Influence of the cultured Odontobutis obscurus to the microbial community structure and diversity in rice⁃fish system［J］.Freshwater Fisheries，2017，17（4）：8⁃14.
［13］廖咏梅，黄元腾吉，韩宁宁，等.稻鸭共育模式下水稻根际土壤真菌和细菌种群多样性分析［J］.南方农业学报，2019，50（1）：59⁃67.
LIAO Y M，HUANG Y T J，HAN N N，et al.Analysis of population diversity of fungi and bacteria in rice rhizosphere soil under rice⁃duck farming model［J］.Journal of Southern Agriculture，2019，50（1）：59⁃67.
［14］KUANG J L，HUANG L N，CHEN L X，et al.Contemporary environmental variation determines microbial diversity patterns in acid mine drainage［J］.The ISME Journal，2013，19：637⁃648.
［15］鲍士旦. 土壤农化分析［M］.北京：中国农业出版社，2000：11⁃17.
BAO S D.Soil agrochemical analysis［M］.Beijing：China Agricultural Press，2000：11⁃17.
［16］CHEN S，ZHOU Y，CHEN Y，et al.Fastp：An ultra⁃fast all⁃in⁃one FASTQ preprocessor［J］.Bioinformatics，2018，34（17）：884⁃890.
［17］LI D，LIU C M，LUO R，et al.MEGAHIT：An ultra⁃fast single⁃node solution for large and complex metagenomics assembly via succinct de Bruijn graph［J］.Bioinformatics，2015，31（10）：1674⁃1676.
［18］NOGUCHI H，PARK J，TAKAGI T.MetaGene：Prokaryotic gene finding from environmental genome shotgun sequences［J］.Nucleic Acids Res，2006，34（19）：5623⁃5630.
［19］FU L，NIU B，ZHU Z，et al.CD⁃HIT：Accelerated for clustering the next⁃generation sequecing data［J］.Bioinformatics，2012，28（23）：3150⁃3152.
［20］LI R，LI Y，KRISTIANSEN K，et al.SOAP：Short oligonucleotide alignment program［J］.Bioinformatics，2008，24（5）：713⁃714.
［21］BUCHFINK B，XIE C，HUSON D H.Fast and sensitive protein alignment using DIAMOND［J］.Nature Methods，2015，12（1）：59⁃60.
［22］李欣蔚，丛敏，武俊瑞，等.基于16S rRNA基因V3—V4区高通量测序分析东北自然发酵酸菜中细菌群落结构［J］.现代食品科技，2017，33（2）：69⁃76.
LI X W，CONG M，WU J R，et al.Analysis of the bacterial community structure in naturally fermented cabbage of Northeast China by high⁃throughput sequencing［J］.Modern Food Science and Technology，2017，33（2）：69⁃76.
［23］GU Y F，WANG Y Y，LU S E，et al.Long⁃term fertilization structures bacterial and archaeal communities along soil depth gradient in a paddy soil［J］.Front Microbiol，2017，8：1516⁃1531.
［24］FIERER N，LAUBER C L，RAMIREZ K S，et al.Comparativemetagenomic，phylogenetic and physiological analyses of soil microbial communities across nitrogen gradients［J］.The ISME Journal，2012，6：1007⁃1017.
［25］黄博聪，龙健，刘灵飞，等.锑矿周边稻田土壤垂直剖面锑砷形态与细菌群落结构分布及相互关系［J］.环境科学学报，2019，39（4）：1274⁃1283.
HUANG B C，LONG J，LIU L F，et al.Distribution and correlation of antimony and arsenic species and bacterial community structure in vertical profiles of paddy soils around antimony mine［J］.Acta Scientiae Circumstantiae，2019，39（4）：1274⁃1283.
［26］WANG Q，XIONG D，ZHAO P，et al.Effect of applying an arsenic⁃resistant and plant growth⁃promoting rhizobacterium to enhance soil arsenic phytoremediation by populus deltoides LH05⁃17［J］.Journal of Applied Microbiology，2011，111（5）：1065⁃1074.

［27］QIN H L，WANG D，XING X Y，et al.A few key nirK⁃and nosZ⁃denitrifier taxa play a dominant role in moisture⁃enhanced N2O emissions in acidic paddy soil［J］.Geoderma，2021，385：1⁃9.
［28］邓娇娇，周永斌，殷有，等.辽东山区两种针叶人工林土壤真菌群落结构特征［J］.北京林业大学学报，2019，41（9）：130⁃138.
DENG J J，ZHOU Y B，YIN Y，et al.Characteristics of soil fungal community structure at two coniferous plantations in mountainous region of eastern Liaoning Province，northeastern China［J］.Journal of Beijing Forestry University，2019，41（9）：130⁃138.
［29］SPATAFORA J W，CHANG Y，BENNY G L，et al.A phylum⁃level phylogenetic classification of zygomycete fungi based on genome⁃scale data［J］.Mycologia，2016，108：1028⁃1046.
［30］谢联辉.普通植物病理学［M］. 北京：科学出版社，2006：299⁃320.
XIE L H.General plant pathology［M］.Beijing：Science Press，2006：299⁃320.
［31］严海元，辜夕溶，申鸿.森林凋落物的微生物分解［J］.生态学杂志，2010，29（9）：1827⁃1835.
YAN H Y，GU X R，SHEN H.Microbial decomposition of forest litter［J］.Chinese Journal of Ecology，2010，29（9）：1827⁃1835.
［32］武继承，潘晓莹，杨永辉，等.长期施用沼液对土壤养分含量和酶活性的影响［J］.河南农业科学，2021，50（7）：76⁃86.
WU J C，PAN X Y，YANG Y H，et al.Effects of long⁃term application of biogas slurry on soil nutrient content and enzyme activity［J］.Journal of Henan Agricultural Sciences，2021，50（7）：76⁃86.
［33］KRAUS D，WELLER S，KLATT S，et al.A new LandscapeDNDC biogeochemical module to predict CH4 and N2O emissions from lowland rice and upland cropping systems［J］.Plant Soil，2015，386：125⁃149.
［34］BLODAU C，DEPPE M.Humic acid addition lowers methane release in peats of the Mer Bleue bog，Canda［J］.Soil Biology and Biochemistry，2012，52（5）：96⁃98.
［35］郭晨曦，周桂芳，陈碧华，等.强还原土壤灭菌法（RSD）对大棚连续三茬蔬菜生长、产量和病虫害的影响［J］.河南农业科学，2020，49（11）：98⁃109.
GUO C X，ZHOU G F，CHEN B H，et al.Effect ofreductive soil disinfestation on growth，yield，diseases and insect pests of three continuous cultivation vegetables in plastic greenhouse［J］.Journal of Henan Agricultural Sciences，2020，49（11）：98⁃109.
［36］HOLMES D E，SHRESTHA P M，WALKER D J F，et al.Metatranscriptomic evidence for direct interspecies electron transfer between Geobacter and Methanothrix species in methanogenic rice paddy soils［J］.Applied and Environmental Microbiology，2017，83（9）：1⁃11.
［37］易琼，唐栓虎.稻田温室气体（CH4和N2O）排放影响因素及其减排措施研究进展［J］.广东农业科学，2015，4（1）：141⁃146.
YI Q，TANG S H.Research progress of emission influence factors and reduction measures of greenhouse gases in paddy field［J］.Guangdong Agricultural Sciences，2015，4（1）：141⁃146.
［38］张丽梅，贺纪正.一个新的古菌类群：奇古菌门（Thaumarchaeota）［J］.微生物学报，2012，52（4）：411⁃421.
ZHANG L M，HE J Z.A novel archaeal phylum：Thaumarchaeota：A review［J］.Acta Microbiologica Sinica，2012，52（4）：411⁃421.

[1]	任志超, 李想, 李先锋, 毋丽丽, 王景, 彭志良, 刘国顺, 殷全玉. 生物炭对黑胫病抗性不同烤烟品种根际土壤真菌群落结构的影响[J]. 河南农业科学, 2024, 53(1): 105-115.
[2]	李银凤, 刘晓柱. 海拔高度对刺梨根际土壤真菌与细菌多样性的影响[J]. 河南农业科学, 2023, 52(10): 82-91.
[3]	郭晖, 周慧, 庄静静, 王晓冰. 镉胁迫下丛枝菌根真菌对小麦生理特性和根际土壤酶活性的影响[J]. 河南农业科学, 2022, 51(8): 20-27.
[4]	敖金成, 周桂夙, 李永梅. 连作烟田健株与根腐病感病烟株根际土壤微生物多样性研究[J]. 河南农业科学, 2022, 51(2): 86-96.
[5]	宋宇. 稻蟹共作稻田根际土壤微生物群落与水稻产量的关联分析[J]. 河南农业科学, 2022, 51(10): 86-95.
[6]	谢朝, 付天岭, 何腾兵, 成剑波, 符东顺, 罗胜. Cd胁迫对马铃薯根际土壤细菌群落组成及多样性的影响[J]. 河南农业科学, 2020, 49(6): 48-58.
[7]	栗笑阳, 郭夏丽. 不同施氮水平对小麦根际土壤氨氧化微生物的影响[J]. 河南农业科学, 2020, 49(12): 69-76.
[8]	樊芳芳, 白文斌, 王磊, 王劲松, 聂萌恩, 刘鹏, 李光, 范昕琦. 不同调控措施对连作高粱生长及根际土壤微生物群落结构的影响[J]. 河南农业科学, 2020, 49(10): 70-77.
[9]	樊祖清，李红丽，芦阿虔，王岩，段宏群，程仲记. 施用石灰氮对烟株生长和根际土壤微生物区系的影响[J]. 河南农业科学, 2019, 48(6): 60-66.
[10]	樊祖清，芦阿虔，王海涛，王岩，段宏群，李红丽，邱光. 施用解淀粉芽孢杆菌对烟株生长和根际土壤微生物区系的影响[J]. 河南农业科学, 2019, 48(4): 33-40.
[11]	王样庭，陈玲，王陶，李文，李同祥，刘洵. 牛蒡根际土壤解磷菌的筛选、鉴定及生长特性[J]. 河南农业科学, 2018, 47(10): 57-63.
[12]	张宪，王金朋，雷天宇，金殿川. 玉米亚基因组中代谢基因的分化研究[J]. 河南农业科学, 2014, 43(2): 19-23.
[13]	颜艳伟, 张红, 刘露, 咸洪泉, 崔德杰. 连作花生田根际土壤优势细菌的分离和鉴定[J]. 河南农业科学, 2011, 40(6): 74-78.
[14]	贾若凌, 李丽, 刘香玲, 邓以邦. 荔枝果园土壤脲酶活性与土壤肥力的关系研究[J]. 河南农业科学, 2011, 40(6): 79-81.
[15]	郝群辉;刘红彦;王飞;张玉军. 怀地黄根际土壤水提物的GC-MS分析[J]. 河南农业科学, 2007, 36(2): 78-80.