本文關(guān)鍵詞：長白山主要林型土壤酵母菌功能多樣性的研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：在森林生態(tài)系統(tǒng)中,微生物作為凋落物(litter)的分解者具有礦化作用,是土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的主要動力,是森林生態(tài)系統(tǒng)得以成立的必不可少的生物類群。微生物在森林生態(tài)系統(tǒng)中分布廣泛,包括酵母菌(yeast)在內(nèi)的真菌,是森林生態(tài)系統(tǒng)中微生物量最大的類群。具有發(fā)酵功能的酵母菌,是以芽殖或裂殖方式繁殖的單細(xì)胞真菌,其發(fā)酵產(chǎn)物及菌體均可被植物或其他微生物利用,同時,又是生物化學(xué)、遺傳學(xué)及分子生物學(xué)的研究材料,而成為微生物領(lǐng)域的研究熱點。近年來對酵母菌的種類研究所鑒定的酵母菌數(shù)量呈現(xiàn)迅猛增加的態(tài)勢,而對酵母菌的生態(tài)作用,尤其是酵母菌在森林生態(tài)系統(tǒng)中的作用了解的不多。長白山是我國生態(tài)系統(tǒng)保存最完整的地區(qū)之一,擁有闊葉紅松林(Pinus korainsis forest)、云冷杉林(Picea and Abies forests)、岳樺林(Betula ermanii forest)多種林型,代表了歐亞大陸的東北部典型的自然植被特征。本文以長白山主要林型土壤酵母菌為研究對象,采用Biolog微平板、GC-MS、HNMR、掃描電鏡等多種技術(shù)手段與方法,對長白山北坡闊葉紅松林、白樺林(Betula platyphylla forest)、山楊林(Populus davidiana forest)、云冷杉林、云冷杉林-岳樺林過渡帶以及岳樺林六個主要林型土壤酵母菌的分布、功能多樣性以及酵母菌的生態(tài)功能進(jìn)行了實驗研究,取得了以下主要研究成果:(1)長白山主要林型酵母菌分布具有典型的特征,在垂直分布符合線性回歸模式,其線性回歸方程為:y’=12.20683-0.35143x(x為土壤深度,cm;y’為酵母菌數(shù)量取對數(shù)的值),基于繪制的森林土壤酵母菌的分布模式圖,可以看出土壤酵母菌剖面層的垂直分布符合“針頸”狀漏斗式分布模式,且主要集中在土壤半分解層(土壤發(fā)酵層)和表層土壤。從水平分布上來看,由于受環(huán)境異質(zhì)性制約,森林土壤酵母菌的水平分布不是均勻的,根據(jù)分布圖式,呈現(xiàn)“云狀”分布。根據(jù)野外觀測結(jié)果的統(tǒng)計,長白山森林土壤酵母菌數(shù)量分布存在季節(jié)性變化規(guī)律,7月最為豐富,到8月、9月呈現(xiàn)下降趨勢,而10月又出現(xiàn)明顯上升趨勢。(2)森林酵母菌的發(fā)酵功能具有特異性(funtional specificity)。通過研究發(fā)現(xiàn),作為白樺林、山楊林酵母作為闊葉次生林酵母菌具有相似的發(fā)酵特性,云冷杉林和云冷杉-岳樺林在樹種組成上都含有針葉樹種的成分,它們的土壤酵母菌也表現(xiàn)出了相似的發(fā)酵特性。通過響應(yīng)面設(shè)計實驗,確定了森林酵母菌的發(fā)酵條件為溫度22℃,水分175%、接種量7%時,降解率達(dá)到9.16%。在發(fā)酵過程中,酵母菌、霉菌與細(xì)菌之間存在協(xié)同作用,在酵母菌(1個類群)、霉菌(1個類群)、酵母菌+霉菌(2個類群)、酵母菌+霉菌+細(xì)菌(3個類群)四個層面存在分解率隨微生物類群數(shù)量的增加而出現(xiàn)遞增的趨勢。在四個組合模式下的微生物的分解能力有四個層次的體現(xiàn),可以把凋落物的組分對應(yīng)地也分為3個區(qū):易分解區(qū)、較難分解區(qū)和難分解區(qū)。發(fā)現(xiàn)森林凋落物發(fā)酵層酵母菌(Y-Yeasts)數(shù)量的變化受TMLY作用模式所驅(qū)動,在TMLY作用模式下,土壤發(fā)酵層溫度(T-Temperature)、水分(M-Moisture)和現(xiàn)存凋落物(Litter)量三個因素的共同驅(qū)動,森林土壤發(fā)酵層酵母菌數(shù)量呈現(xiàn)出周期性的變化。以正交試驗設(shè)計探討了土壤酵母菌對樹皮的發(fā)酵與分解作用,結(jié)果表明,發(fā)酵產(chǎn)物的吸光度值(A275nm)下降率與樹皮分解率呈正相關(guān);森林土壤酵母菌有利于降解闊葉樹的樹皮,其中山楊樹皮最易被降解;不同森林類型下的土壤酵母菌之間分解樹皮的能力存在很大差異,總體趨勢為:山楊林白樺林岳樺林闊葉紅松林酵母與云冷杉-岳樺過渡帶酵母,并且存在針葉林樹皮與闊葉樹樹皮分解的交互作用。(3)森林土壤酵母菌具有豐富的功能多樣性(funtional diversity)�；贐iolog法的功能多樣性研究表明,森林酵母菌具有豐富的碳源利用功能,通過發(fā)酵產(chǎn)生豐富的VOC功能以及生成其它化合物的功能,這種轉(zhuǎn)化功能在微生物的協(xié)同作用得以增強(qiáng)。在培養(yǎng)216h后平均每孔變化率(AWCD)的變化趨于穩(wěn)定,AWCD在不同林型酵母菌的之間的差異顯著;闊葉紅松林、岳樺林和山楊林酵母屬于代謝能力高的類群,而且山楊林酵母屬于代謝最高的類群�；贕C-MS法的功能多樣性研究表明,從發(fā)酵VOC產(chǎn)物中鑒定出216種化合物,體現(xiàn)了森林凋落物發(fā)酵產(chǎn)生VOC具有較高的豐富度;闊葉紅松林、岳樺林和山楊林酵母具有相似的轉(zhuǎn)化底物生成VOC的能力。通過HNMR法的功能多樣性研究顯示,含針葉樹種的林分下的酵母菌具有相似發(fā)酵底物的能力,低海拔闊葉林具有相近的發(fā)酵模式底物的能力�；赨V-DPPH法的功能多樣性研究表明,認(rèn)為發(fā)酵能力的順序為山楊林白樺林岳樺林、云冷杉-岳樺林過渡帶闊葉紅松林云冷杉林,山楊林與白樺林具有相近的發(fā)酵功能,闊葉紅松林與岳樺林具有一致的發(fā)酵功能。(4)從森林土壤發(fā)酵層分離出三株功能性酵母,它們都具有一定的生態(tài)功能。以植物蠟質(zhì)為培養(yǎng)基篩選的蠟質(zhì)分解酵母L1(Cryptococcus musci),分別在玉米(Zea mays)秸稈和蒙古櫟(Quercus mongolica)葉表面進(jìn)行分解試驗,發(fā)現(xiàn)蠟質(zhì)降解酵母能夠降解植物表皮蠟質(zhì)的某些成分,使得致密的蠟質(zhì)表皮的最外層形成疣狀凸起,這些疣狀凸起是由莖塊狀顆粒堆砌而成的,這樣,植物的蠟質(zhì)層開始逐層變?yōu)橛汕o塊狀顆粒堆砌而成的松散層,易被混合菌分解與轉(zhuǎn)化。以紅松樹皮提取物為碳源篩選的H1酵母菌(Kuraishia capsulata),分別以蒙古櫟葉水提取物和紅松樹皮水提取物為底物進(jìn)行發(fā)酵試驗,以紅外光譜(IR)檢測產(chǎn)物的紅外光譜特征,發(fā)現(xiàn)這種酵母具有轉(zhuǎn)化紅松樹皮單寧的能力,而對蒙古櫟葉中的單寧影響不大,說明這種酵母不僅表現(xiàn)出轉(zhuǎn)化單寧的功能,而且具有一定的選擇性。以藍(lán)靛果(Lonicera edulis)鮮果汁為培養(yǎng)基篩選的DG1酵母菌(Cyberlindnera sp.),具有降低環(huán)境酸度的效果。(5)發(fā)現(xiàn)以酵母為先導(dǎo)的森林凋落物降解模式。森林凋落的分解是以酵母菌為先導(dǎo)分層進(jìn)攻凋落物的蠟質(zhì)層,在多菌種的協(xié)同作用下進(jìn)行分解,然后再由酵母菌逐層破壞凋落物蠟質(zhì)實現(xiàn)凋落物的分層降解。正是由于存在分層分解的模式,使得森林凋落物的起始階段成為一個緩慢的過程。同時,以關(guān)聯(lián)酵母菌的發(fā)酵利用糖類、苷類、酸類、氨基酸類等物質(zhì),轉(zhuǎn)化單寧類物質(zhì),產(chǎn)生胺類、烷烴類、烯烴類等VOCs組分,VOCs進(jìn)入發(fā)酵層被植物或微生物利用,以微生物與植物的協(xié)同作用,驅(qū)動土壤的碳素循環(huán)。本研究基于多種方法對酵母菌功能多樣性,降解植物蠟質(zhì),轉(zhuǎn)化樹木單寧以及降低環(huán)境酸度的3個功能性酵母菌的分離與功能等方面,做了一系列研究,獲得了對森林土壤酵母菌分布及功能方面的深入理解與進(jìn)一步認(rèn)識。森林土壤酵母菌具有典型的分布特征和多樣化的功能特性。森林土壤酵母菌主要分布于森林土壤發(fā)酵層中,利用凋落物中的可溶性糖類、分解凋落物的蠟質(zhì)以破壞凋落物的自然防御體系,在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮積極的作用。本研究將新的微生物功能多樣性的評價方法引入到實驗中,豐富了研究內(nèi)容,繪制了森林土壤酵母菌剖面層垂直分布的“針頸”狀漏斗式模式圖與代表酵母水平分布特征的酵母云圖。發(fā)現(xiàn)了酵母菌與霉菌和細(xì)菌協(xié)同降解凋落物的模式,境因子的驅(qū)動下的TMLY作用模式,以酵母為先導(dǎo)的森林凋落物分層降解模式。能夠發(fā)展森林土壤酵母菌生態(tài)理論,有效進(jìn)行土壤酵母菌生態(tài)學(xué)的研究,推動學(xué)科發(fā)展,同時也為其它生態(tài)系統(tǒng)微生物功能多樣性的研究提供了參考,對生態(tài)系統(tǒng)碳素循環(huán)研究,尤其是森林生態(tài)系統(tǒng)碳素循環(huán)的研究具有重要的理論價值和實際意義。本文主要創(chuàng)新之處在于以下兩個方面:1)方法創(chuàng)新,建立了基于GC-MS等多種法對森林土壤酵母菌的功能多樣性評價。2)成果創(chuàng)新:繪制了森林土壤酵母菌剖面上的垂直分布模式圖,發(fā)現(xiàn)了森林土壤酵母菌剖面上的垂直分布符合“針頸”漏斗式分布模式;以土壤發(fā)酵層酵母菌“云”狀分布圖,描述了土壤酵母菌平面分布狀況;估測了長白山每公頃森林土壤發(fā)酵層酵母菌擁有2.72~5.19×1012個酵母菌(CFU);發(fā)現(xiàn)了森林土壤發(fā)酵層酵母菌(Y)數(shù)量分布受土壤發(fā)酵層溫度(T)、水分(M)和現(xiàn)存凋落物量(L)所驅(qū)動的TMLY作用模式以及以酵母為先導(dǎo)的森林凋落物分層降解模式。
【關(guān)鍵詞】：長白山 森林生態(tài)系統(tǒng) 土壤酵母菌 數(shù)量分布特征 功能多樣性 凋落物分解模式 森林土壤發(fā)酵層
【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S714.3
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-15
• 第1章 前言15-27
• 1.1 研究背景15-17
• 1.2 研究現(xiàn)狀與分析17-25
• 1.2.1 微生物多樣性的研究現(xiàn)狀17-22
• 1.2.2 土壤微生物多樣性分析技術(shù)22-24
• 1.2.3 研究中存在的問題24-25
• 1.3 研究目的與意義25-26
• 1.4 研究技術(shù)路線26-27
• 第2章 研究區(qū)域自然概況及實驗地點27-33
• 2.1 研究區(qū)域27
• 2.2 實驗地點27
• 2.3 樣地位置27-29
• 2.4 樣地特征29-33
• 2.4.1 水熱狀況29
• 2.4.2 植被條件29-30
• 2.4.3 土壤特征30-33
• 第3章 長白山主要林型土壤酵母菌數(shù)量分布特征33-61
• 3.1 引言33
• 3.2 研究方法33-38
• 3.2.1 土壤樣品的采集33-36
• 3.2.2 酵母菌計數(shù)法36-38
• 3.2.3 土壤pH值與可溶性糖測定38
• 3.3 結(jié)果與分析38-58
• 3.3.1 酵母菌數(shù)量隨土壤剖面變化的特征38-45
• 3.3.2 酵母菌數(shù)量水平分布模式45-53
• 3.3.3 pH值及可溶性糖對酵母菌分布的影響53-57
• 3.3.4 酵母菌數(shù)量的季節(jié)性變化57-58
• 3.4 討論58-60
• 3.5 主要結(jié)論60-61
• 第4章 長白山主要林型土壤酵母菌發(fā)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與混合霉菌的提取61
• 4.2.2 森林土壤混合酵母菌的發(fā)酵特性研究方法61-63
• 4.2.3 森林土壤酵母菌發(fā)酵條件的優(yōu)化63-64
• 4.2.4 森林土壤酵母菌、霉菌與細(xì)菌的協(xié)同發(fā)酵作用的研究64
• 4.2.5 酵母菌對樹皮的發(fā)酵試驗64-65
• 4.3 結(jié)果與分析65-85
• 4.3.1 森林土壤混合酵母菌的發(fā)酵特性65-68
• 4.3.2 森林土壤酵母菌發(fā)酵條件的優(yōu)化68-72
• 4.3.3 森林土壤酵母菌、霉菌與細(xì)菌的協(xié)同發(fā)酵作用72-75
• 4.3.4 森林土壤發(fā)酵層TMLY作用模式75-79
• 4.3.5 酵母菌對樹皮的發(fā)酵試驗79-85
• 4.4 討論85-86
• 4.5 主要結(jié)論86-88
• 第5章 長白山主要林型土壤酵母菌功能多樣性的研究88-120
• 5.1 引言88
• 5.2 研究方法88-91
• 5.2.1 樣品處理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 結(jié)果與分析91-117
• 5.3.1 基于Biolog法評價酵母菌的功能多樣性91-97
• 5.3.2 基于GC-MS法評價酵母菌的功能多樣性97-112
• 5.3.3 基于HNMR法評價酵母菌的功能多樣性112-116
• 5.3.4 基于UV-DPPH法評價酵母菌的功能多樣性116-117
• 5.4 討論117-119
• 5.5 主要結(jié)論119-120
• 第6章 功能性酵母菌的分離與評價120-139
• 6.1 引言120
• 6.2 研究方法120-122
• 6.2.1 功能性酵母菌的篩選120-121
• 6.2.2 功能性酵母菌的鑒定121-122
• 6.2.3 功能性酵母菌的功能試驗122
• 6.3 結(jié)果與分析122-137
• 6.3.1 酵母菌鑒定結(jié)果122-127
• 6.3.2 酵母菌降解蠟質(zhì)功能試驗127-128
• 6.3.3 酵母菌降轉(zhuǎn)化單寧功能試驗128-135
• 6.3.4 酵母菌耐酸酸功能試驗135-136
• 6.3.5 以酵母為先導(dǎo)的森林凋落物降解模式136-137
• 6.4 討論137-138
• 6.5 主要結(jié)論138-139
• 第7章 結(jié)論與創(chuàng)新點139-144
• 7.1 本研究的主要結(jié)論139-142
• 7.1.1 森林土壤酵母菌的分布特征139-140
• 7.1.2 森林土壤酵母菌發(fā)酵功能140-141
• 7.1.3 森林土壤酵母菌功能多樣性141
• 7.1.4 功能性酵母菌的分離與評價141-142
• 7.2 本研究的主要創(chuàng)新點142-143
• 7.3 本研究存在的問題與建議143-144
• 參考文獻(xiàn)144-157
• 后記157-158
• 在學(xué)期間公開發(fā)表的相關(guān)論文158-159
• 攻讀博士學(xué)位期間參與的科研項目159-160
• 攻讀博士學(xué)位期間參加的國際、國內(nèi)學(xué)術(shù)會議160

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：285325