結(jié)果

根際沉積物理化指標(biāo)

N2近根際子隔室中的NO?-N濃度最高（1.46±1.66 mg l?1），根區(qū)和非根際區(qū)最低（分別為0.30±0.14和0.39±0.16 mg l?1）（F=3.611, P=0.003）（表1）。NH?-N濃度（10.61±7.80 至 13.28±9.49 mg l?1）（F=0.169, P=0.984）和pH（7.56±0.23 至 7.62±0.14）（F=0.151, P=0.962）在各根箱隔室之間無顯著變化。氧滲透深度（Dop）在各隔室間從14.4±6.6降至10.6±4.5 mm，但這并不顯著（F=1.136, P=0.349）。

表1 沉水植物菹草根際和非根際沉積物及孔隙水的理化性質(zhì)。數(shù)值為平均值（標(biāo)準(zhǔn)差）；n=12。

注：R和Non分別代表根區(qū)隔室和非根際區(qū)隔室的沉積物樣品。N1-N5代表取自近根際區(qū)1至5毫米子隔室的沉積物樣品。

- 表示根系阻礙了根區(qū)隔室內(nèi)的微電極測量。

- 表示未測量非根際區(qū)。

同一列數(shù)值后不同字母表示存在顯著差異（P < 0.05）。

類產(chǎn)氧甲烷桿菌16S rRNA基因多樣性

本研究共獲得324條NC10門細(xì)菌序列（表2）。所有序列根據(jù)97%相似性劃分為16個OTUs。每個根箱夾層檢測到約45-50條序列，代表4到6個不同的OTUs（表2）。在N1近根際子隔室中發(fā)現(xiàn)了最多的OTUs（6個），而在根區(qū)（R）和N5近根際子隔室中發(fā)現(xiàn)了最少的OTUs（各4個）。文庫覆蓋率值在0.94至1.00之間，表明菹草根際沉積物中的類產(chǎn)氧甲烷桿菌16S rRNA基因序列在這些克隆文庫中已充分代表。N2近根際子隔室具有最高的多樣性，香農(nóng)指數(shù)和Chao1豐富度估計量分別為1.16和5。在N3近根際子隔室觀察到最低的多樣性，香農(nóng)指數(shù)和Chao1豐富度估計量分別為0.73和6。

表2 沉水植物菹草根際和非根際沉積物中類產(chǎn)氧甲烷桿菌的多樣性指數(shù)。

注：R和Non分別代表根區(qū)和非根際區(qū)隔室的沉積物樣品；N1-N5代表取自近根際區(qū)1至5毫米子隔室的沉積物樣品。

類產(chǎn)氧甲烷桿菌16S rRNA基因的系統(tǒng)發(fā)育多樣性

根據(jù)Ettwig et al.（2009），OTU1-11的代表性序列被歸類到b群，與產(chǎn)氧甲烷桿菌16S rRNA基因的相似性為88-93%（表3）。b群序列被分類到指定的1至5簇。OTU12代表NC10細(xì)菌的一個新簇，不屬于a, b, c或d組（圖2）。

簇1中的序列與非根際隔室的產(chǎn)氧甲烷桿菌16S rRNA基因有92%的相似性。簇2包含OTU2、OTU8、OTU10、OTU11和OTU15。該簇包含來自除N5子隔室（N5）之外所有夾層的73條序列，與產(chǎn)氧甲烷桿菌的相似性為90-92%。簇3是b群中的優(yōu)勢簇，包含序列數(shù)最多（總共324條序列中的205條）。簇3成員在所有夾層均有記錄，與產(chǎn)氧甲烷桿菌的相似性為91-92%。簇4與產(chǎn)氧甲烷桿菌的相似性最高（93%），包含除根區(qū)隔室（R）外所有夾層的42條序列。簇5和OTU12在N1和N3近根際子隔室中檢測到，與產(chǎn)氧甲烷桿菌的序列相似性為88-89%（表3）。

表3 沉水植物菹草根際和非根際沉積物中類產(chǎn)氧甲烷桿菌16S rRNA基因的分布和相似性。

注：R和Non分別代表根區(qū)和非根際區(qū)隔室的沉積物樣品；N1-N5代表取自近根際區(qū)1至5毫米子隔室的沉積物樣品。

討論

在本研究中，我們使用根箱法調(diào)查了常見沉水植物根際和非根際區(qū)域類產(chǎn)氧甲烷桿菌的出現(xiàn)和多樣性。結(jié)果表明，這些細(xì)菌存在于根際和非根際沉積物中。大多數(shù)OTUs被歸類到b群。每個根箱夾層有4到6個OTUs。細(xì)菌群落多樣性指數(shù)（香農(nóng)指數(shù)）和豐富度指數(shù)（Chao1）分別為0.73-1.16和4-9。

各隔室的多樣性排序為：近根際區(qū) > 根區(qū) > 非根際區(qū)（表2），表明近根際區(qū)更有利于類產(chǎn)氧甲烷桿菌群落。一些研究發(fā)現(xiàn)反硝化細(xì)菌（Ruiz-Rueda, Hallin & Ba?eras, 2009），包括厭氧氨氧化細(xì)菌（Li et al., 2016）和厭氧甲烷氧化細(xì)菌（Vaksmaa et al., 2016）分布在沉水水生植物根系周圍。在我們的研究中，根區(qū)和近根際區(qū)都具有較高的類產(chǎn)氧甲烷桿菌多樣性，這可能是由于植物根部周圍甲烷和亞硝酸鹽濃度增加所致。植物根系分泌物和植物殘體提供的有機質(zhì)（OM）可被產(chǎn)甲烷古菌轉(zhuǎn)化為甲烷（CH?）（Kerdchoechuen, 2005）。此外，根際中的部分反硝化和硝化作用都可能產(chǎn)生亞硝酸鹽（Nie et al., 2015）。這些底物有利于類產(chǎn)氧甲烷桿菌在近根際沉積物中的生長。

本研究七個夾層中獲得的序列與從其他水生生態(tài)系統(tǒng)回收的類產(chǎn)氧甲烷桿菌16S rRNA基因序列具有高度相似性。本研究中的簇與河口沉積物（Yan et al., 2015）、濕地（Wang et al., 2012, 2016; Hu et al., 2014）、湖泊（Wang et al., 2015, 2017; Kojima et al., 2012）和厭氧污水污泥（Ma et al., 2017）中的序列密切相關(guān)。b群序列主導(dǎo)了菹草根際和非根際區(qū)域的類產(chǎn)氧甲烷桿菌（圖2）。本研究未擴增出功能基因pmoA。同樣，在中國東昌湖和東平湖的沉積物中也只發(fā)現(xiàn)了類產(chǎn)氧甲烷桿菌16S rRNA基因的b群序列（Wang et al., 2017）。在三峽水庫沉積物中，大多數(shù)序列（65/67）屬于b群（Wang et al., 2016），類似地在琵琶湖沉積物（5/6 OTUs屬于b群）（Kojima et al., 2012）和一個城市濕地（8/11 OTUs屬于b群）（Shen et al., 2015）中也觀察到。相反，在椒江口沉積物中，超過87%的類產(chǎn)氧甲烷桿菌16S rRNA基因序列被歸類為a群（Shen et al., 2014b）。沒有證據(jù)表明主要由b群細(xì)菌組成的群落可以在沒有a群的情況下主導(dǎo)N-DAMO，并且這兩者在大多數(shù)自然環(huán)境中似乎是共存的。需要進一步研究b群的功能，以增進我們對根際NC10細(xì)菌群落的理解。

本研究中類產(chǎn)氧甲烷桿菌的多樣性指數(shù)與來自河流（Shen et al., 2014a）和濕地（Wang et al., 2016）的其他淡水沉積物相似。然而，在自然環(huán)境中，海洋和河口沉積物中通常發(fā)現(xiàn)比淡水沉積物（來自河流和濕地（Yan et al., 2015; Shen et al., 2014a; Wang et al., 2016），特別是湖泊（Deutzmann & Schink, 2011; Kojima et al., 2012; Wang et al., 2017））更高的類產(chǎn)氧甲烷桿菌多樣性。最近，一項關(guān)于類產(chǎn)氧甲烷桿菌分布模式的全球分析表明，海洋和淡水生境之間存在顯著的群落差異（Zhang, Liu & Gu, 2018）。因此，群落差異可能是該細(xì)菌在海洋中多樣性高于淡水的主要原因。

在本實驗中，同一夾層的樣品被混合后進行測序。雖然混合法能夠檢測到所有的類產(chǎn)氧甲烷桿菌，但該方法無法統(tǒng)計分析不同夾層間OTUs的顯著差異。因此，本文未分析該細(xì)菌的空間分布。

結(jié)論

在菹草所有三個隔室的沉積物中都檢測到了類產(chǎn)氧甲烷桿菌16S rRNA基因。根際OTU較少，每個夾層僅存在4到6個OTUs。香農(nóng)指數(shù)和Chao1指數(shù)與淡水濕地和河流沉積物中的相似。系統(tǒng)發(fā)育分析表明，除一個OTU屬于NC10細(xì)菌的新簇外，所有OTU均被歸類為類產(chǎn)氧甲烷桿菌16S rRNA基因的b群，這表明b群細(xì)菌可能在氮生物地球化學(xué)循環(huán)中很重要，并可能在調(diào)節(jié)淡水系統(tǒng)富營養(yǎng)化中發(fā)揮重要作用。