长白山主要林型土壤酵母菌功能多样性的研究

发布时间：2017-04-04 10:04

  本文关键词：长白山主要林型土壤酵母菌功能多样性的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在森林生态系统中,微生物作为凋落物(litter)的分解者具有矿化作用,是土壤有机质和养分转化与循环的主要动力,是森林生态系统得以成立的必不可少的生物类群。微生物在森林生态系统中分布广泛,包括酵母菌(yeast)在内的真菌,是森林生态系统中微生物量最大的类群。具有发酵功能的酵母菌,是以芽殖或裂殖方式繁殖的单细胞真菌,其发酵产物及菌体均可被植物或其他微生物利用,同时,又是生物化学、遗传学及分子生物学的研究材料,而成为微生物领域的研究热点。近年来对酵母菌的种类研究所鉴定的酵母菌数量呈现迅猛增加的态势,而对酵母菌的生态作用,尤其是酵母菌在森林生态系统中的作用了解的不多。长白山是我国生态系统保存最完整的地区之一,拥有阔叶红松林(Pinus korainsis forest)、云冷杉林(Picea and Abies forests)、岳桦林(Betula ermanii forest)多种林型,代表了欧亚大陆的东北部典型的自然植被特征。本文以长白山主要林型土壤酵母菌为研究对象,采用Biolog微平板、GC-MS、HNMR、扫描电镜等多种技术手段与方法,对长白山北坡阔叶红松林、白桦林(Betula platyphylla forest)、山杨林(Populus davidiana forest)、云冷杉林、云冷杉林-岳桦林过渡带以及岳桦林六个主要林型土壤酵母菌的分布、功能多样性以及酵母菌的生态功能进行了实验研究,取得了以下主要研究成果:(1)长白山主要林型酵母菌分布具有典型的特征,在垂直分布符合线性回归模式,其线性回归方程为:y’=12.20683-0.35143x(x为土壤深度,cm;y’为酵母菌数量取对数的值),基于绘制的森林土壤酵母菌的分布模式图,可以看出土壤酵母菌剖面层的垂直分布符合“针颈”状漏斗式分布模式,且主要集中在土壤半分解层(土壤发酵层)和表层土壤。从水平分布上来看,由于受环境异质性制约,森林土壤酵母菌的水平分布不是均匀的,根据分布图式,呈现“云状”分布。根据野外观测结果的统计,长白山森林土壤酵母菌数量分布存在季节性变化规律,7月最为丰富,到8月、9月呈现下降趋势,而10月又出现明显上升趋势。(2)森林酵母菌的发酵功能具有特异性(funtional specificity)。通过研究发现,作为白桦林、山杨林酵母作为阔叶次生林酵母菌具有相似的发酵特性,云冷杉林和云冷杉-岳桦林在树种组成上都含有针叶树种的成分,它们的土壤酵母菌也表现出了相似的发酵特性。通过响应面设计实验,确定了森林酵母菌的发酵条件为温度22℃,水分175%、接种量7%时,降解率达到9.16%。在发酵过程中,酵母菌、霉菌与细菌之间存在协同作用,在酵母菌(1个类群)、霉菌(1个类群)、酵母菌+霉菌(2个类群)、酵母菌+霉菌+细菌(3个类群)四个层面存在分解率随微生物类群数量的增加而出现递增的趋势。在四个组合模式下的微生物的分解能力有四个层次的体现,可以把凋落物的组分对应地也分为3个区:易分解区、较难分解区和难分解区。发现森林凋落物发酵层酵母菌(Y-Yeasts)数量的变化受TMLY作用模式所驱动,在TMLY作用模式下,土壤发酵层温度(T-Temperature)、水分(M-Moisture)和现存凋落物(Litter)量三个因素的共同驱动,森林土壤发酵层酵母菌数量呈现出周期性的变化。以正交试验设计探讨了土壤酵母菌对树皮的发酵与分解作用,结果表明,发酵产物的吸光度值(A275nm)下降率与树皮分解率呈正相关;森林土壤酵母菌有利于降解阔叶树的树皮,其中山杨树皮最易被降解;不同森林类型下的土壤酵母菌之间分解树皮的能力存在很大差异,总体趋势为:山杨林白桦林岳桦林阔叶红松林酵母与云冷杉-岳桦过渡带酵母,并且存在针叶林树皮与阔叶树树皮分解的交互作用。(3)森林土壤酵母菌具有丰富的功能多样性(funtional diversity)。基于Biolog法的功能多样性研究表明,森林酵母菌具有丰富的碳源利用功能,通过发酵产生丰富的VOC功能以及生成其它化合物的功能,这种转化功能在微生物的协同作用得以增强。在培养216h后平均每孔变化率(AWCD)的变化趋于稳定,AWCD在不同林型酵母菌的之间的差异显著;阔叶红松林、岳桦林和山杨林酵母属于代谢能力高的类群,而且山杨林酵母属于代谢最高的类群。基于GC-MS法的功能多样性研究表明,从发酵VOC产物中鉴定出216种化合物,体现了森林凋落物发酵产生VOC具有较高的丰富度;阔叶红松林、岳桦林和山杨林酵母具有相似的转化底物生成VOC的能力。通过HNMR法的功能多样性研究显示,含针叶树种的林分下的酵母菌具有相似发酵底物的能力,低海拔阔叶林具有相近的发酵模式底物的能力。基于UV-DPPH法的功能多样性研究表明,认为发酵能力的顺序为山杨林白桦林岳桦林、云冷杉-岳桦林过渡带阔叶红松林云冷杉林,山杨林与白桦林具有相近的发酵功能,阔叶红松林与岳桦林具有一致的发酵功能。(4)从森林土壤发酵层分离出三株功能性酵母,它们都具有一定的生态功能。以植物蜡质为培养基筛选的蜡质分解酵母L1(Cryptococcus musci),分别在玉米(Zea mays)秸秆和蒙古栎(Quercus mongolica)叶表面进行分解试验,发现蜡质降解酵母能够降解植物表皮蜡质的某些成分,使得致密的蜡质表皮的最外层形成疣状凸起,这些疣状凸起是由茎块状颗粒堆砌而成的,这样,植物的蜡质层开始逐层变为由茎块状颗粒堆砌而成的松散层,易被混合菌分解与转化。以红松树皮提取物为碳源筛选的H1酵母菌(Kuraishia capsulata),分别以蒙古栎叶水提取物和红松树皮水提取物为底物进行发酵试验,以红外光谱(IR)检测产物的红外光谱特征,发现这种酵母具有转化红松树皮单宁的能力,而对蒙古栎叶中的单宁影响不大,说明这种酵母不仅表现出转化单宁的功能,而且具有一定的选择性。以蓝靛果(Lonicera edulis)鲜果汁为培养基筛选的DG1酵母菌(Cyberlindnera sp.),具有降低环境酸度的效果。(5)发现以酵母为先导的森林凋落物降解模式。森林凋落的分解是以酵母菌为先导分层进攻凋落物的蜡质层,在多菌种的协同作用下进行分解,然后再由酵母菌逐层破坏凋落物蜡质实现凋落物的分层降解。正是由于存在分层分解的模式,使得森林凋落物的起始阶段成为一个缓慢的过程。同时,以关联酵母菌的发酵利用糖类、苷类、酸类、氨基酸类等物质,转化单宁类物质,产生胺类、烷烃类、烯烃类等VOCs组分,VOCs进入发酵层被植物或微生物利用,以微生物与植物的协同作用,驱动土壤的碳素循环。本研究基于多种方法对酵母菌功能多样性,降解植物蜡质,转化树木单宁以及降低环境酸度的3个功能性酵母菌的分离与功能等方面,做了一系列研究,获得了对森林土壤酵母菌分布及功能方面的深入理解与进一步认识。森林土壤酵母菌具有典型的分布特征和多样化的功能特性。森林土壤酵母菌主要分布于森林土壤发酵层中,利用凋落物中的可溶性糖类、分解凋落物的蜡质以破坏凋落物的自然防御体系,在生态系统中发挥积极的作用。本研究将新的微生物功能多样性的评价方法引入到实验中,丰富了研究内容,绘制了森林土壤酵母菌剖面层垂直分布的“针颈”状漏斗式模式图与代表酵母水平分布特征的酵母云图。发现了酵母菌与霉菌和细菌协同降解凋落物的模式,境因子的驱动下的TMLY作用模式,以酵母为先导的森林凋落物分层降解模式。能够发展森林土壤酵母菌生态理论,有效进行土壤酵母菌生态学的研究,推动学科发展,同时也为其它生态系统微生物功能多样性的研究提供了参考,对生态系统碳素循环研究,尤其是森林生态系统碳素循环的研究具有重要的理论价值和实际意义。本文主要创新之处在于以下两个方面:1)方法创新,建立了基于GC-MS等多种法对森林土壤酵母菌的功能多样性评价。2)成果创新:绘制了森林土壤酵母菌剖面上的垂直分布模式图,发现了森林土壤酵母菌剖面上的垂直分布符合“针颈”漏斗式分布模式;以土壤发酵层酵母菌“云”状分布图,描述了土壤酵母菌平面分布状况;估测了长白山每公顷森林土壤发酵层酵母菌拥有2.72~5.19×1012个酵母菌(CFU);发现了森林土壤发酵层酵母菌(Y)数量分布受土壤发酵层温度(T)、水分(M)和现存凋落物量(L)所驱动的TMLY作用模式以及以酵母为先导的森林凋落物分层降解模式。
【关键词】：长白山 森林生态系统 土壤酵母菌 数量分布特征 功能多样性 凋落物分解模式 森林土壤发酵层
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S714.3
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 第1章 前言15-27
• 1.1 研究背景15-17
• 1.2 研究现状与分析17-25
• 1.2.1 微生物多样性的研究现状17-22
• 1.2.2 土壤微生物多样性分析技术22-24
• 1.2.3 研究中存在的问题24-25
• 1.3 研究目的与意义25-26
• 1.4 研究技术路线26-27
• 第2章 研究区域自然概况及实验地点27-33
• 2.1 研究区域27
• 2.2 实验地点27
• 2.3 样地位置27-29
• 2.4 样地特征29-33
• 2.4.1 水热状况29
• 2.4.2 植被条件29-30
• 2.4.3 土壤特征30-33
• 第3章 长白山主要林型土壤酵母菌数量分布特征33-61
• 3.1 引言33
• 3.2 研究方法33-38
• 3.2.1 土壤样品的采集33-36
• 3.2.2 酵母菌计数法36-38
• 3.2.3 土壤pH值与可溶性糖测定38
• 3.3 结果与分析38-58
• 3.3.1 酵母菌数量随土壤剖面变化的特征38-45
• 3.3.2 酵母菌数量水平分布模式45-53
• 3.3.3 pH值及可溶性糖对酵母菌分布的影响53-57
• 3.3.4 酵母菌数量的季节性变化57-58
• 3.4 讨论58-60
• 3.5 主要结论60-61
• 第4章 长白山主要林型土壤酵母菌发酵功能61-88
• 4.1 引言61
• 4.2 研究方法61-65
• 4.2.1 森林土壤混合酵母菌与混合霉菌的提取61
• 4.2.2 森林土壤混合酵母菌的发酵特性研究方法61-63
• 4.2.3 森林土壤酵母菌发酵条件的优化63-64
• 4.2.4 森林土壤酵母菌、霉菌与细菌的协同发酵作用的研究64
• 4.2.5 酵母菌对树皮的发酵试验64-65
• 4.3 结果与分析65-85
• 4.3.1 森林土壤混合酵母菌的发酵特性65-68
• 4.3.2 森林土壤酵母菌发酵条件的优化68-72
• 4.3.3 森林土壤酵母菌、霉菌与细菌的协同发酵作用72-75
• 4.3.4 森林土壤发酵层TMLY作用模式75-79
• 4.3.5 酵母菌对树皮的发酵试验79-85
• 4.4 讨论85-86
• 4.5 主要结论86-88
• 第5章 长白山主要林型土壤酵母菌功能多样性的研究88-120
• 5.1 引言88
• 5.2 研究方法88-91
• 5.2.1 样品处理88
• 5.2.2 Biolog法88-89
• 5.2.3 GC-MS法89-90
• 5.2.4 HNMR法90-91
• 5.2.5 UV-DPPH法91
• 5.3 结果与分析91-117
• 5.3.1 基于Biolog法评价酵母菌的功能多样性91-97
• 5.3.2 基于GC-MS法评价酵母菌的功能多样性97-112
• 5.3.3 基于HNMR法评价酵母菌的功能多样性112-116
• 5.3.4 基于UV-DPPH法评价酵母菌的功能多样性116-117
• 5.4 讨论117-119
• 5.5 主要结论119-120
• 第6章 功能性酵母菌的分离与评价120-139
• 6.1 引言120
• 6.2 研究方法120-122
• 6.2.1 功能性酵母菌的筛选120-121
• 6.2.2 功能性酵母菌的鉴定121-122
• 6.2.3 功能性酵母菌的功能试验122
• 6.3 结果与分析122-137
• 6.3.1 酵母菌鉴定结果122-127
• 6.3.2 酵母菌降解蜡质功能试验127-128
• 6.3.3 酵母菌降转化单宁功能试验128-135
• 6.3.4 酵母菌耐酸酸功能试验135-136
• 6.3.5 以酵母为先导的森林凋落物降解模式136-137
• 6.4 讨论137-138
• 6.5 主要结论138-139
• 第7章 结论与创新点139-144
• 7.1 本研究的主要结论139-142
• 7.1.1 森林土壤酵母菌的分布特征139-140
• 7.1.2 森林土壤酵母菌发酵功能140-141
• 7.1.3 森林土壤酵母菌功能多样性141
• 7.1.4 功能性酵母菌的分离与评价141-142
• 7.2 本研究的主要创新点142-143
• 7.3 本研究存在的问题与建议143-144
• 参考文献144-157
• 后记157-158
• 在学期间公开发表的相关论文158-159
• 攻读博士学位期间参与的科研项目159-160
• 攻读博士学位期间参加的国际、国内学术会议160

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 李杰,毕玉国,刘涛;酵素菌发酵秸杆有机肥对棚室土壤的影响[J];北方园艺;2002年04期

2 代艳;邓波;杨富裕;张蕴薇;;草地生态系统丛枝菌根真菌多样性研究进展[J];草原与草坪;2007年06期

3 韩冀;;分子生物学方法在土壤真菌多样性研究中的应用[J];广东化工;2012年06期

4 汪明明;程海婷;薛明;;基于LC-MS的代谢组学分析流程与技术方法[J];国际药学研究杂志;2011年02期

5 刘朋虎;林冬梅;林占q

本文编号：285325