不同土壤玉米根际挥发性有机物组成和微生物群落特征

李艳玲，宋阿琳，卢玉秋，王恩召，唐治喜，刘雄舵,2，范分良*

（1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081；2 湖南工业大学生命科学与化学学院，湖南株洲 412007）

根际是根—土壤—微生物相互作用的热区，微生物是根际中最为活跃的组分[1]。在根际互作过程中，微生物受到各种生物或非生物因素的调控，进而形成具有特定结构与功能的根际微生物群落[2]。根际微生物能够直接增强植物获得养分的能力[3]，或通过参与土壤养分循环过程，提高土壤养分的生物有效性，间接改变植物养分的获得量[4]。同时，根际微生物还能够通过释放多种信号物质来影响植物的生长发育和系统抗性[5]，包括脂多糖、肽聚糖、鞭毛蛋白、几丁质等生物活性物质[6-8]，水杨酸、茉莉酸、乙烯等激素类化合物[9]，AHL等群体感应信号分子[10]，DAPG和绿脓菌素等抗菌剂[11-12]，以及近年来引起学术界高度关注的另一类特殊的信号物质——挥发性有机物 (volatile organic compounds，VOCs)。已报道的VOCs大多是烷烃、烯烃、醇、苯醚、醛、酮、萜烯等100～500 Da的小分子化合物，具有低分子量、低沸点、高蒸汽压、弱极性、亲脂性的特点[13]，因而具有能够长距离传播、介导有机体间非直接接触的相互作用和低浓度即可被感知等优势，在长距离的根际互作中起着重要作用，在未来农业生态系统中具有广泛的应用前景。然而相关报道大多是在实验室条件下，研究少数几种微生物释放的VOCs与特定植物生长间的相互关系，较少考虑土壤因素[14]，对于自然条件下玉米根际VOCs的产生与释放特征更是知之甚少。

微生物和植物都能够释放丰富的VOCs。许多研究发现，根际微生物可以通过释放VOCs显著地影响植物生长[15-17]，诱导植物对病原体的抗性[18-20]，促进植物次生代谢物产生[21]，或直接抑制植物病原体[22-23]。例如植物促生芽胞杆菌释放的2,3-丁二醇和3-羟基-2-丁酮 (乙偶姻) 能够显著促进拟南芥的生长[24]，玉米促生根际细菌运动节杆菌 (Arthrobacteragilis)UMCV2产生的二甲基正十六胺能够促进紫花苜蓿(Medicago sativa) 的生长和发育[25]。同样，植物也可以通过释放VOCs来抑制病原菌生长或招募更多的有益微生物以抵御病虫害的侵染。Schulz-Bohm等[26]研究发现，植物释放的VOCs可以吸引土壤中远处的细菌向根部迁移，当受到真菌侵染时，根部释放的VOCs化学组分发生改变，从而吸引更多具有抗真菌特性的细菌。玉米植株在被根甲虫幼虫侵袭时会在根际释放大量 (E)-β-石竹烯，从而增强对线虫的吸引力[27]。在镰刀菌侵染下，玉米和其他谷类植物也可以迅速释放出倍半萜[28-29]。在受到致病疫霉接种的影响下，马铃薯植株的类萜释放量会显著升高[30]。土壤理化性质是影响根际细菌和真菌群落结构最重要的因素[31-33]，不同性质土壤中根际微生物群落的初始状态不同，且不同的土壤理化性质还可以调节根际碳沉积模式和植物生理特性，间接影响根际微生物群落，进而可能会影响土壤中VOCs的产生[13,15,34]。玉米是我国重要的粮食作物，种植区分布广泛，各地农田土壤差异较大。以往的研究多是针对某一玉米主产区，研究不同耕作管理措施对土壤微生物群落的影响[35-36]，而关于不同土壤中玉米根际微生物群落特征及其与VOCs的相关性研究还未见报道。

因此，本研究选择我国华北和华东6个不同地点的农田土进行盆栽试验，利用顶空固相微萃取联合气相色谱-质谱联用检测技术 (Headspace solid phase microextraction-Gas chromatography/mass spectrometry，SPME-GC/MS)、实时荧光定量PCR和高通量测序技术对玉米苗期根际挥发性有机物和微生物群落进行检测鉴定，进而分析比较不同土壤中玉米根际挥发性有机物的变化特征及其产生差异的原因。

1 材料与方法

1.1 供试材料与盆栽试验

分别从我国山东德州、河北涞水、河南孟津、江西南昌、河南商丘、河北保定等6个地区采集耕层 (0—20 cm) 土壤。取回后过3 mm筛，剔除杂质，混匀备用。基础土样pH的测定采用电位法 (水土比为2.5∶1)，有机质的测定采用重铬酸钾容量法，全氮的测定采用开氏消煮法，硝态氮的测定采用氯化钙浸提双波长比色法，速效磷的测定采用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法，速效钾的测定采用醋酸铵浸提火焰光度法，土壤机械组成与粒度分析采用激光粒度分析仪法，每个样品测定3个平行[37](表1)。

用无菌塑料袋分装土壤，每袋3 kg，每种土壤设5个重复，统一添加足量养分 (N 150 mg/kg、P2O5100 mg/kg、K2O 100 mg/kg、钙镁50 mg/kg、铁锰硼锌钼铜5 mg/kg)，调节含水量至田间持水量的60%，充分混匀，在室温下培养30天，使土壤微生物群落恢复稳定。

将盛有培养土的塑料袋直接放入盆中。选择质量相近、外形相似的玉米种子 (供试品种为郑单958)，用30%双氧水浸泡30 min后，再用无菌水洗净并浸泡24 h，然后平铺置于无菌玻璃大培养皿中，在30℃培养箱中避光培养。种子萌发后，每盆种4株玉米。待幼苗长至2 cm以上进行间苗，最终每盆保留2株长势均匀一致的幼苗。盆栽试验在温室中进行，期间统一浇灌灭菌水，并且定期随机调换盆的位置。

2个月后，采集玉米根际土，一份风干，用于测定土壤理化性质；一份保存于4℃，用于检测土壤VOCs；一份保存于 -20℃，用于测定土壤微生物。

1.2 土壤基本理化性质的测定

土壤pH和铵态氮、硝态氮、速效磷、速效钾等有效养分的测定方法参照文献[37]。

1.3 挥发性有机物的收集与检测

采用顶空固相微萃取 (SPME) 的方法收集土壤释放的挥发性有机物。将土样从冰箱取出后，在室温下放置2 h。分别称取10 g(干土重) 土壤于20 mL玻璃顶空瓶 (配中空螺纹铝盖和聚四氟乙烯隔垫，CNW，DE)，统一调节含水量至25%，在25℃条件下培养7天。将50/30 μm DVB/CAR/PDMS萃取纤维装配在SPME手动萃取手柄上 (Supelco, Bellefonte,PA, USA)，在25℃条件下顶空萃取10 h，未装样品的顶空瓶作为对照[17,38-39]。萃取完成后立即用7890A-5975C气相色谱-质谱分析仪 (Agilent Technologies，USA) 进行检测分析。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physicochemical properties of the tested soils

色谱条件：进样口温度250℃，进样时间3 min；不分流模式，载气为99.999%的高纯氦气，柱流量为1 mL/min。柱箱升温程序：初始温度50℃，保持2 min，以8℃/min的速度升温至180℃，再以10℃/min的速度升温至240℃，保持6 min。质谱条件：离子化方式为EI，70eV；离子源温度230℃，四级杆温度150℃，传输线温度250℃；扫描方式为全扫描，扫描范围35～450 amu。测得的VOCs质谱在NIST/EPA/NIH数据库中进行比对鉴定[17,38]。

1.4 土壤DNA的提取与实时荧光定量PCR(qPCR)

称取0.5 g保存于-20℃的土壤样品，用Fast DNA SPIN Kit for Soil 试剂盒和Fast Prep-24核酸提取仪 (MP Biomedicals,Solon, OH, USA) 提取土壤总DNA，用1%琼脂糖凝胶电泳检验DNA提取质量，用NanoDrop 2000微量分光光度计 (Thermo Scientific, Waltham, MA, USA) 检测其浓度和纯度，保存于-20℃冰箱备用。

qPCR在Roche LightCycler®480Ⅱ实时荧光定量PCR系统上进行，选用的荧光试剂是SYBR®Premix Ex TaqTMⅡ。qPCR标准曲线的制作：单克隆转接过夜培养后，用柱式质粒小量抽提试剂盒提取质粒，PicoGreen测定浓度后逐步稀释到108～101拷贝数，保存于-80℃[40]。细菌16S rRNA的扩增引物是357F和518R，真菌18S rRNA的扩增引物是FF390 和 FR1。扩增体系均为 15 μL，包含 7.5 μL 2 ×SYBRPremix Ex TaqⅡ、0.3 μL50 × ROX Reference Dye、10 μmol/L 的前后引物各 0.3 μL、2 μL 稀释20倍的模板DNA和4.6 μL ddH2O，每个样品3次重复。细菌扩增程序：95℃预变性5 min；95℃解链10 s，52℃退火10 s，72℃延伸20s，45个循环。真菌扩增程序：95℃预变性5 min；95℃解链10 s，52℃退火30 s，72℃延伸45 s，45个循环。

1.5 微生物群落结构的高通量测定

将提取的DNA原液稀释至约5 mg/L作为PCR扩增模板。

细菌16S rRNAV4-V5可变区序列的扩增引物是515F 和 806R[32]，扩增体系为 50 μL，包含 5 μL10 ×buffer、4 μL dNTP、0.5 μL rTaq(Takara)、10 μmol/L的前后引物各 1 μL、2 μL 模板 DNA 和 36.5 μL ddH2O，每个样品3次重复。扩增程序为：94℃预变性5 min；94℃解链45 s，55℃退火35 s，72℃延伸45 s，30个循环；72℃延伸10 min。将3个重复的DNA扩增产物混匀后，用1%的琼脂糖凝胶电泳进行检验。

真菌ITS2序列的扩增采用两轮扩增法。第一轮扩增引物为ITS1F和ITS4[41]，扩增体系为25 μL，包含 2.5 μL10 × buffer、2 μL dNTP、0.25μL rTaq(Takara)、10 μmol/L 的前后引物各 0.5 μL、1 μL 模板DNA和18.25 μL ddH2O，每个样品3次重复。第一轮扩增程序为：94℃预变性5 min；94℃解链40 s，55℃退火30 s，72℃延伸40 s，20个循环；72℃延伸10 min。第二轮扩增引物为ITS3和ITS4[42,43]，扩增体系为 50 μL，包含 5 μL10 × buffer、4 μL dNTP、0.5 μL rTaq(Takara)、10 μmol/L 的前后引物各 1 μL、2 μL第一轮扩增所得模板DNA和36.5μL ddH2O。第二轮扩增程序为：94℃预变性5 min；94℃解链30 s，55℃退火30 s，72℃延伸40 s，25个循环；72℃延伸10 min。将3个重复的DNA扩增产物混匀后，用1%的琼脂糖凝胶电泳进行检验。

用PicoGreen试剂盒测定所得细菌和真菌PCR产物浓度，分别等量混匀后，采用DNA纯化试剂盒(TIANGEN Biotech, Beijing, China) 进行纯化回收。通过IlluminaHiseq2500平台进行细菌16S和真菌ITS序列测定。

1.6 数据处理与分析

高通量序列用USEARCH软件包分析[44]，先去除质量数低于20以及与引物存在错配的序列，再将剩余高质量序列统一修剪至250 bp。序列中的嵌合体用UCHIME过滤[45]。以97%相似性水平通过UPARSE进行OTU聚类[46]。每个样品的细菌和真菌OUT分别抽平至79589和299条序列。以85%的置信水平为标准，在RDP(http://pyro.cme.msu.edu/) 平台对代表序列进行物种分类注释，并在各个分类水平上统计每个样品的群落组成。

采用Excel 2013和SPSS 21软件进行数据统计分析，利用单因素ANOVO进行方差分析，利用Duncan法进行多重比较 (P ＜ 0.05)。丰富度指数(Richness)、香农-威尔指数 (Shannon-Wiener index)、辛普森指数 (Simpson index) 和Chao1指数 (Chao1 index) 等微生物多样性指标的计算公式见文献[47]。

2 结果与分析

2.1 玉米根际土壤基本化学性质

不同采样点土壤pH、铵态氮、硝态氮、速效磷、速效钾等指标存在显著差异 (表2)。南昌根际土呈较强酸性，pH值低至4.13，其他土壤均呈中性。南昌土壤的铵态氮含量显著高于其他地点，分别是德州、涞水、孟津、商丘和保定的59.6、45.5、36.8、64.8、56.2倍。硝态氮含量由高到低依次为孟津 ＞ 德州 ＞ 商丘 ＞ 保定 ＞ 涞水 ＞ 南昌，其中德州比商丘高35.1%，商丘比保定高56.6%，而南昌土壤的硝态氮含量仅为涞水的0.6%。速效磷含量变化范围为18.41～64.70 mg/kg，不同土壤间均存在显著差异，含量由高到低依次为保定 ＞ 德州 ＞ 商丘 ＞ 南昌 ＞ 孟津 ＞ 涞水。德州土壤速效钾含量较高，其次是涞水、孟津、南昌、商丘，而保定土壤的速效钾含量相对较低。

2.2 不同采样点土壤玉米根际挥发性有机物

从6个土壤中共检出44种VOCs，主要是烷烃、烯烃、酯类、胺类、有机酸和芳香类化合物 (表3)。不同土壤释放的VOCs存在显著差异 (图1)，其中南昌土壤释放的VOCs在数量和丰富度上均显著大于其他土壤。共检测出35种VOCs，仅从德州、涞水、孟津、商丘和保定土壤中分别检测出4种、3种、3种、3种和8种VOCs。

组分上，N-Benzyl-N-ethyl-p-isopropylbenzamide(No.35) 和D-2-Bromolysergic acid diethylamide(No.38)在6种土壤中均被检出，分别占总量的48.5%和5.0%，但是孟津土壤释放的D-2-Bromolysergic acid diethylamide(No.38) 显著多于其他土壤，而南昌土壤释放的N-Benzyl-N-ethyl-p-isopropylbenzamide(No.35)显著少于其他土壤。(Z)-9-Octadecenamide(No.43) 在德州土壤被检出，Supraene(No.44) 在孟津土壤被检出，而Sulfurous acid, dodecyl 2-ethylhexyl ester(No.32)、Tridecane, 3-methyl-(No.33)、Morpholine, 4-octadecyl-(No.39)、Undecanoic acid isopropyl ester,10-hydroxy-11-morpholin-4-(No.40)、Palmitoleic acid(No.41) 和 n-Hexadecanoic acid(No.42) 在保定土壤被检出；在南昌土壤中被检出的VOCs有33种，其中相对含量大于2%的依次为Propane, 1-(1,1-dimethylethoxy)-2-methyl-(No.8)、N-Benzyl-N-ethyl-p-isopropylbenzamide(No.35)、Guaia-1(10),11-diene(No.37)、Heptadecane,8-methyl-(No.10)、Dodecane,2,6,10-trimethyl-(No.19)、Propanoic acid, phenyl ester(No.13)、Heptane,2,2,4,6,6-pentamethyl-(No.5) 和 Octane, 1,1'-oxybis-(No.21)。

表2 玉米根际土壤化学性质Table 2 Chemical properties of maize rhizosphere soils

2.3 不同采样点土壤玉米根际微生物群落特征

2.3.1 细菌和真菌种群数量及多样性 6种不同土壤中玉米根际细菌和真菌种群数量存在差异 (表4)。各处理的细菌数量变化范围为2.8 × 109～4.9 ×109/g，其中保定和商丘的细菌数量较高，与德州、涞水、孟津和南昌的差异达到显著水平。真菌数量变化范围为 1.3 × 106/g ～ 4.2 × 107/g，其中孟津、商丘、保定、涞水和德州的真菌数量均显著低于南昌，分别是南昌土壤的6.7%、4.8%、4.5%、3.3%和3.1%。

由表4可知，6种土壤的细菌丰富度在3859～5059范围内变动，其中商丘的细菌丰富度最高，与涞水和南昌的差异达到显著水平；南昌的细菌丰富度最低，与其他5个处理均存在显著差异。6种土壤的真菌丰富度在81～127范围内变动，其中德州的真菌丰富度最高，与商丘和南昌差异显著。从香农-威尔指数、辛普森指数和Chao1指数来看，玉米根际土壤细菌和真菌多样性在德州、涞水、孟津、商丘和保定间的差异都不显著，但是均显著高于南昌土壤的细菌和真菌多样性。

2.3.2 细菌和真菌群落结构 从6种土壤中共检测出31个细菌门，其中共有细菌门27个。相对丰度大于2%的细菌有7个，占总细菌群落的92.1%，分别是Thaumarchaeota(奇古菌门)、Actinobacteria(放线菌门)、Proteobacteria(变形菌门)、Chloroflexi(绿弯菌门)、Acidobacteria(酸杆菌门)、Firmicutes(厚壁菌门)和Unclassified(未分类门)，相对丰度依次为23.9%、15.6%、14.9%、12.3%、11.3%、7.9%和6.2%。主要细菌门在不同土壤中的相对丰度存在显著差异 (图2A)。在德州、涞水、孟津、南昌、商丘、保定等6种土壤中，Thaumarchaeota的群落相对丰度分别为29.7%、15.5%、21.2%、5.2%、36.8%、34.9%，Actinobacteria的群落相对丰度分别为14.9%、21.8%、16.0%、17.8 %、12.3%、11.1%，Proteobacteria的群落相对丰度分别为15.3%、21.1%、18.7%、7.2%、13.4%、14.0%，Chloroflexi的群落相对丰度分别为7.6%、3.3%、6.6%、44.7%、5.0%、6.8%，Acidobacteria的群落相对丰度分别为14.5%、16.5%、13.2%、3.3%、10.0%、10.0%，Firmicutes的群落相对丰度分别为4.3%、6.1%、9.5%、6.3%、10.1%、10.9%。

从6种土壤中共检测出7个真菌门，其中共有真菌门5个。相对丰度大于1%的真菌有3个，占总真菌群落的98.3%，分别是Ascomycota(子囊菌门)、Basidiomycota(担子菌门) 和 Chytridiomycota(壶菌门)，相对丰度依次为93.4%、3.0%和1.9%。主要真菌门在不同土壤中的相对丰度也存在显著差异 (图2B)。Ascomycota在6个处理中均占绝对优势，群落相对丰度占84.0%～98.0%，其中孟津、南昌、商丘与保定间的差异达到显著水平，分别高出16.7%、15.6%、15.2%；Basidiomycota群落相对丰度占0.3%～12.5%，其中保定的相对丰度显著高于其他处理，分别比德州、涞水、孟津、南昌和商丘高8.8%、7.5%、13.4%、7.1%、45.8%；Chytridiomycota群落相对丰度占0.1%～7.8%，其中涞水的相对丰度较其他处理更高。

表3 玉米根际土壤释放的挥发性有机物Table 3 Volatile organic compounds released from maize rhizosphere soils

图1 不同采样点玉米根际土壤释放的VOCs数量与组成Fig. 1 Quantity and composition of VOCs emitted from different maize rhizosphere soils[注（Note）：DZ—山东德州Dezhou, Shandong；LS—河北涞水Laishui, Hebei；MJ—河南孟津Mengjin, Henan；NC—江西南昌Nanchang, Jiangxi；SQ—河南商丘Shangqiu, Henan；XL—河北保定Baoding, Hebei.]

基于97%相似度的OTU数据，采用weighted Unifrac算法分别对不同土壤中玉米根际微生物群落结构进行了主坐标分析 (PCoA)。对于细菌群落 (图3A)，第一主成分和第二主成分的方差贡献率分别为52.96%和14.42%，累计方差贡献率为67.38%；德州、孟津、商丘和保定的细菌群落结构和组成相似，聚集分布于第三象限；南昌分布于第四象限，在PCoA1轴上与其余5个处理明显分开；涞水分布于第二象限，在PCoA2轴上与其余5个处理明显分开。对于真菌群落 (图3B)，第一主成分和第二主成分的方差贡献率分别为19.85%和13.82%，累计方差贡献率为33.67%；德州、涞水、孟津和商丘的真菌群落结构和组成比较相似，主要分布于第四象限；南昌在PCoA1轴上的坐标为负值，与其余5个处理明显分开；保定分布于第一象限，在PCoA2轴上与其余5个处理明显分开。

2.4 玉米根际VOCs与土壤理化性质和微生物群落的相关性

从表5可以看出，玉米根际释放的VOCs数量和丰富度与pH和硝态氮含量呈极显著负相关 (P ＜0.01)，与铵态氮含量呈极显著正相关。真菌数量与VOCs数量和丰富度呈极显著正相关，细菌多样性与VOCs数量和丰富度呈极显著负相关，真菌多样性与VOCs数量呈极显著负相关，与VOCs丰富度呈显著负相关 (P ＜ 0.05)。主要细菌门中，奇古菌门、变形菌门和酸杆菌门与VOCs数量和丰富度呈显著或极显著负相关，绿弯菌门与VOCs数量和丰富度呈极显著正相关；主要真菌门与玉米根际释放的VOCs数量及丰富度相关性不显著。

3 讨论

土壤VOCs的萃取效率受水分、温度等环境条件的影响[48]，本研究中各处理VOCs的收集和检测均在相同的水分和温度条件下进行。最终从供试的6种土壤中共检测出44种VOCs，主要是烷烃、烯烃、酯类、胺类、有机酸和芳香类化合物，其中检出最多的是胺类化合物N-Benzyl-N-ethyl-pisopropylbenzamide (No.35) 和D-2-Bromolysergic acid diethylamide (No.38)，占总量的54.2%；其次是烷烃和烯烃，占总量的31.1%和7.6%。这些化合物的化学性质与前人报道的植物或微生物释放的挥发性化合物极为相似，因此本研究中检测到的VOCs可能主要来源于玉米根系和根际微生物[5,13,15,49-50]。

本研究从玉米根际土壤检出的VOCs中未发现2,3-丁二醇、乙偶姻、二甲基二硫醚、β-石竹烯等典型的具有促生功能的挥发性物质[5,13,24,27]，但其中多种化合物可能与植物或微生物生长代谢密切相关。NBenzyl-N-ethyl-p-isopropylbenzamide (No.35) 是肺炎克雷伯菌产生的能够有效抑制黄曲霉生长的抗真菌挥发性化合物之一[51]，在由细菌分泌的有助于维持微囊藻菌落结构的胞外化合物中也曾被检出[52]。D-2-Bromolysergic acid diethylamide (No.38) 是医学领域研究较多的一种致幻剂[53]，然而其在植物根际互作方面的研究还未见报道。Guaia-1 (10), 11-diene (No.37) 具有体外抑菌活性[54]。促生巨大芽孢杆菌菌株XTBG34释放的VOCs中包含Dodecane, 2,6,10-trimethyl-(No.19)[55]。Raza 等[17]和 Jishma 等[56]研究发现，Hexacosane (No.20) 和 Tetradecane (No.28) 能促进植物生长，而Heptane, 2,2,4,6,6-pentamethyl- (No.5)、Palmitoleic acid (No.41)、n-Hexadecanoic acid (No.42)和Supraene (No.44) 会抑制植物生长。2-Methyl-2-bornene (No.6) 可能主要来自土壤中的放线菌[57]，具有标记土壤微生物活动和组成的潜在作用[58]。Hussein等[59]研究结果表明 (Z)-9-Octadecenamide(No.43) 会抑制细菌生长。从组成成分上看，南昌玉米根际VOCs组分与许多报道有相似之处。例如，Zhang等[60]研究发现非致病尖刀镰刀菌F.oxysporum CanR-46产生的VOCs主要包括烯烃类、烷类、酯类、有机酸，其中大多数化合物属于烯烃并具有广谱的抗真菌活性。Schulz-Bohm等[26]研究VOCs在苔草Carex arenaria和黄色镰刀菌F. culmorum互作过程中发现，Carex arenaria根释放的VOCs以芳族化合物为主 (49%～51%)，能够吸引土壤中较远的细菌向根部迁移，F. culmorum释放的VOCs大部分是萜类 (21%)，但是受F. culmorum侵染的植物根际产生了更多的烷烃和单萜烯，有效吸引了具有抗真菌特性的细菌。今后有必要通过购买标准品或有效的分离手段进一步验证各种VOCs的生态功能，阐明其具体来源和作用机制，从而将具有重要生态调节功能的VOCs应用于农业生产中。

菌1 4 a 1 9 5 ±真F u n g i 3 1 a 1 6 a b 2 3 c 1 3 a b 1 1 a b数2 0 7 ±1 8 7 ±1 2 6 ±1 4 6 ±1 6 0 ±指a o 1 a b b c a c a a 0.0 5).C h C h a o 1 i n d e x菌± 1 5 3± 1 9 1± 2 6 0± 1 6 9± 1 1 4± 1 7 2细B a c t e r i a 6 4 0 9 5 8 8 9 6 7 1 8 5 5 3 9 6 9 1 2 6 5 8 9 t s (P ＜e n t r e a t m a a a a a 0.0 7 0.0 2 0.0 5菌n g i 0.8 1 ±0.0 7 0.6 4 ±0.0 5 0.0 7 0.7 3 ±数辛S i m p s o n i n d e x 0.4 5 ±0.7 0 ±0.7 6 ±真F u i f f e r e n c e s a m o n g普指h e r e s o i l s森菌B a c t e r i a b细± 0.0 0 1 a 0.9 9± 0.0 0 2 a 0.9 9± 0.0 0 1 a 1.0 0± 0.0 0 4 b 0.9 8± 0.0 0 3 a 0.9 9± 0.0 0 3 a 0.9 9 e a n s i g n i f i c a n t d样a i z e r h i z o s p n m性菌0.1 3 a 0.2 1 a b 0.2 6 a b 0.1 7 c 0.2 3 a b 0.3 3 a e c o l u m多真F u n g i其数2.2 8 ±1.8 7 ±1.7 6 ±1.3 2 ±1.8 3 ±2.3 1 ±及指尔量数f u n g i i n m威-菌农n o n-W i e n e r i n d e x真香菌和S h a n细± 0.0 6 a± 0.1 4 a± 0.1 2 a± 0.1 2 b± 0.1 9 a± 0.2 2 a菌B a c t e r i a y d i f f e r e n t l e t t e r s i n t h e s a m细6.2 1 6.4 4 6.5 5 5.4 7 6.1 3 6.1 0米d i v e r s i t y o f b a c t e r i a a n d壤土a b b际8 a 1 8 9 a b 1 6 8 b 7 a b根菌n g i真F u 7 ±5 ±2 ±8 1 ±8 8 ±4 ±a t a f o l l o w e d b 4 玉1 2 u a n t i t y a n d 1 0 1 1 1 1度富＜ 0.0 5) D表丰R i c h n e s s 4 a b 7 b 4 a b 3 c 2 a 1 a b(P菌1 4 1 7 2 3 1 5 1 1 1 6平水T a b l e 4 Q 细B a c t e r i a 4 7 2 6 ±4 4 9 9 ±5 0 1 5 ±3 8 5 9 ±5 0 5 9 ±4 8 3 6 ±著显到达异(c o p i e s/g, s o i l)s 差1 0 7)(×i c r o o r g a n i s m菌F u n g u s± 0.0 3 b± 0.0 6 b± 0.1 3 b± 0.5 9 a± 0.0 7 b± 0.0 9 b间理处真0.1 3 0.1 4 0.2 8 4.2 0 0.2 0 0.1 9示表数e r o f m 母量字物1 0 9)写小生微N u m b (×菌B a c t e r i a± 0.4 8 b± 0.3 9 b± 0.4 5 b± 0.1 5 b± 0.4 9 a± 0.3 6 a同细3.5 1 3.2 8 3.0 6 2.8 1 4.8 4 4.9 3不后据数g p o i n t 列同x i点a n ：e i e i S a m p l i n g 样e n e b e b a n e n采山D e z h o u, S h a n d o n, J i a n g州水津昌丘i u 定河L a i s h u i, H o t e）江N a n c h a n g涞德孟, H南商保（N东北河M e n g j i n, H南西河S h a n g q南河B a o d i n g, H北注

图2 不同采样点玉米根际土壤细菌 (A) 和真菌 (B) 群落组成Fig. 2 Community composition of bacteria (A) and fungi (B) in different maize rhizosphere soils[注（Note）：DZ—山东德州Dezhou, Shandong；LS—河北涞水Laishui, Hebei；MJ—河南孟津Mengjin, Henan；NC—江西南昌Nanchang, Jiangxi；SQ—河南商丘Shangqiu, Henan；XL—河北保定Baoding, Hebei.]

图3 不同采样点玉米根际土壤细菌 (A) 和真菌群落 (B) 的主坐标分析Fig. 3 Principal coordinate analysis of bacterial (A) and fungi communities (B) in different maize rhizosphere soils[注（Note）：DZ—山东德州Dezhou, Shandong；LS—河北涞水Laishui, Hebei；MJ—河南孟津Mengjin, Henan；NC—江西南昌Nanchang, Jiangxi；SQ—河南商丘Shangqiu, Henan；XL—河北保定Baoding, Hebei.]

本研究中，玉米根际土壤释放的VOCs在不同土壤间存在差异，尤其是南昌土壤释放的VOCs在数量和种类上均显著大于其他5种土壤。相关性分析结果进一步表明，玉米根际释放的VOCs与土壤理化性质和微生物群落的多个指标呈显著相关关系。一方面，不同土壤的机械组成和理化性质存在较大差异，会影响VOCs在土壤孔隙间及其从土壤向空气扩散的过程[48]。南昌供试土壤为酸性红壤，有机质含量较低，土壤中的层状硅酸盐矿物遭到破坏，砂粒含量较高，其土壤颗粒对VOCs的吸附作用较弱，利于VOCs扩散到空气中[61]。另一方面，通过qPCR和高通量测序结果可知，不同土壤中的根际微生物数量、多样性以及群落结构和组成存在显著差异，影响了土壤中VOCs的产生[13,15,34]。VOCs数量和丰富度与真菌数量呈极显著正相关，即当南昌玉米根际土壤中真菌数量显著高于其他土壤时，产生的VOCs也更丰富。同时，GC/MS鉴定结果表明，南昌土壤释放的VOCs大部分是烷烃及其衍生物和烯烃，而大量研究已发现多种真菌会释放丰富的以烷烃、烯烃为主的挥发性物质[5,26,31,48,60,62-63]。从保定土壤中检出的6种特有的有机酸和酯类化合物，可能是保定土壤中含量较高的有机质在丰富的土壤细菌的作用下分解产生的次生代谢物，同时由于保定土壤砂粒含量较高、表面积较小，良好的透气性使土壤中的VOCs更多地向空气扩散[17]。门水平上，玉米根际释放的VOCs与不同微生物的相关性存在显著差异，与奇古菌门、变形菌门和酸杆菌门呈显著负相关 (P ＜ 0.05)，与绿弯菌门呈极显著正相关 (P ＜ 0.01)，今后或许可以据此来方便快捷地监测不同土壤中微生物的动态变化情况。

表5 玉米根际VOCs数量和丰富度与土壤理化性质和微生物群落间的相关性分析Table 5 Pearson correlation analysis of abundance and richness of VOCs in maize rhizosphere soils with soil physiochemical properties and microbial community

4 结论

理化性质不同的玉米根际土壤中，微生物群落结构与组成存在显著差异。pH是影响微生物生长的重要因素，酸性土壤中的真菌数量显著高于中性土壤，但是其细菌数量、微生物群落丰富度和多样性均显著小于中性土壤。玉米根际土壤释放的VOCs主要是烷烃、烯烃、酯类、胺类、有机酸和芳香类化合物，其中多种化合物与植物或微生物的生长代谢密切相关，具有重要的生态学潜能。VOCs的产生和释放受土壤、微生物和植物等众多因素的影响，土壤有机质含量越高、透气性越好、微生物数量越多时，释放的VOCs越丰富。今后，有必要探索更加高效准确的土壤VOCs分析方法，深入探究各类VOCs的生态功能和作用机制，从而使之成为帮助评估土壤质量的重要指标以及调控根际微生物群落的重要手段。