轮作及生物有机肥防控香蕉土传枯萎病的土壤微生物机制研究

发布时间：2018-12-15 17:05

【摘要】：长期单一连作导致的连作障碍严重限制全球香蕉产业发展。由尖孢镰刀菌香蕉专化型(Fusarium oxysporum f.sp.cubense,FOC)浸染引起的香蕉土传枯萎病已成为其中最主要的限制性因素。利用生物有机肥对枯萎病进行生物防控和利用有效轮作措施缓解香蕉连作障碍是防控香蕉土传枯萎病的两种重要途径。本研究第一部分通过对峙实验筛选得到了一株拮抗性能较好的解淀粉芽抱杆菌W19(Bacillus amyloliquefaciens W19),并利用二次发酵技术制成生物有机肥,通过盆栽和田间试验验证了其对香蕉土传枯萎病的防控效果及对香蕉植株的促生作用,并对其作用机理进行了探究;第二部分通过田间试验验证了一种有效缓解下茬香蕉土传枯萎病病情的轮作体系,即菠萝-香蕉轮作体系,并进一步探究了部分作用机理;第三部分将两种措施相结合,研究了菠萝-香蕉轮作联合生物有机肥对香蕉土传枯萎病的防控效果及其对土壤微生物群落结构的影响。主要研究结果如下:1.盆栽和田间试验均证明解淀粉芽孢杆菌W19发酵的生物有机肥能够显著降低香蕉土传枯萎病的发病率,其对香蕉苗期的盆栽防效为75%,对低病土壤的田间防效为44%。菌株W19的发酵液和脂肽类粗提液均能抑制病原菌生长,产生的挥发性拮抗物质也能明显抑制病原菌菌丝生长,抑菌率达到21%。利用液质联用仪(HPLC-MS)对芽孢杆菌W19的发酵液进行检测,共检测到iturin、bacillomycin D和surfactin 3种脂肽类物质;利用气质联用仪(GC-MS)对芽孢杆菌W19的挥发性代谢产物进行检测,共检测到18种有拮抗效果的挥发性化合物。2.菌株W19发酵的生物有机肥对香蕉植株有显著的促生作用。与对照相比,盆栽试验中,生物有机肥处理苗期植株干重和鲜重分别增加了22.6%和34.6%。两块田间试验中,生物有机肥处理香蕉果实平均单产分别增加了1.89和2.22kg/株,总产量分别提高了8.5和10.5吨/公顷,总产提高率分别为25.8%和34.5%。激光共聚焦和扫描电镜观察,发现菌株W19能够有效地定殖在香蕉植株根际,并且根系分泌物对W19的定殖起到决定性作用。同时,利用HPLC在菌株W19的发酵液中检测到促生类物质IAA,其浓度为7.35 mg L-1。3.MiSeq高通量测序结果显示:与普通有机肥和香蕉种植公司常规施肥处理相比,生物有机肥显著提高了土壤真菌的Alpha多样性;提高了细菌酸杆菌门(Acidobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)和真菌担子菌门(Basidiomycota)、接合菌门(Zygomycota)的相对丰度,降低了真菌子囊菌门(Ascomycota)的相对丰度;提高细菌Bacillus、酸杆菌Gp1属和真菌曲霉属(Aspergillus)、青霉属(Penicillium)、被孢霉属(Mortierella)的相对丰度,降低了真菌镰刀菌属(Fusarium)的相对丰度。此外,镰刀菌属(Fusarium)的相对丰度和细菌酸杆菌Gp1、真菌接合菌门(Zygomycota)呈负相关关系,和细菌拟杆菌门(Bacteroidetes)、真菌子囊菌门(Ascomycota)呈正相关关系。4.多点调查结果显示,相对于玉米-香蕉轮作体系,菠萝-香蕉轮作体系能够更加有效地降低土壤中的尖孢镰刀菌数量和下茬香蕉土传枯萎病的发病率。通过一系列室内实验研究了菠萝植株对尖孢镰刀菌的抑制机制,结果显示,菠萝各部分植株浸提液对香蕉土传枯萎病病原菌孢子萌发和菌丝生长均有显著抑制作用;菠萝-香蕉轮作处理能够显著提高土壤中有拮抗效果的劳尔氏菌属(Ralstonia)和伯克氏菌属(Burkholderia)的比例。利用454高通量测序对玉米-香蕉轮作和菠萝-香蕉轮作处理的土壤微生物群落结构进行分析,结果显示,这两种作物的种植能够将同一背景下的土壤微生物群落组成调节到两个不同的方向。利用热图(Heatmap)和维恩图(Venn)对两个处理中相对丰度较高的OTU进行分析比较,结果显示,两者之间真菌微生物群落结构差异较大。与玉米-香蕉轮作体系相比,菠萝-香蕉轮作体系显著提高了细菌酸杆菌门(Acidobacteria)、浮霉菌门(Planctomycete)、绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌Gp1、Gp2属、慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)、伯克氏菌属(Burkholderia)和真菌担子菌门(Basidiomycota)、球囊菌门(Glomeromycota)、浮霉状菌属(Planctomyces)的相对丰度;降低了细菌厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌Gp3属和真菌子囊菌门(Sordariomycetes)、镰刀菌属(Firmicutes)的相对丰度。5.将菠萝-香蕉轮作和施用生物有机肥两个措施联合应用在田间试验中,结果显示,香蕉土传枯萎病的发病率从高到低依次为香蕉连作处理(BOF)、菠萝-香蕉轮作后施普通有机肥处理(POF)、菠萝-香蕉轮作后施生物有机肥处理(PBIO)。采用MiSeq高通量测序技术对三个处理中土壤微生物群落结构进行分析,结果显示:BOF处理中病原菌的相对丰度最高,平均值为10.07%,显著高于POF处理(6.50%)和PBIO处理(4.79%);轮作处理中,PBIO处理病原菌的相对丰度显著低于POF处理;PBIO处理土壤真菌和细菌的Alpha多样性最高,而BOF处理最低;利用随机矩阵理论(Network)构建土壤微生物群落生态网络分析不同处理中高丰度OTU的网络构成、模块性和稳定性。结果显示,与POF和BOF处理相比,PBIO处理的土壤微生物网络模块性更好,更为稳定。利用方差分解分析(VPA)来计算耕作方式、施肥方式和土壤理化三个因素对土壤细菌和真菌微生物群落构建的贡献率,结果显示,耕作方式对细菌和真菌群落构建的解释量是最高的,分别为4.19%和5.12%,其次为施肥种类,说明本研究中影响土壤微生物群落重建的主要因子为轮作措施。结论:单独施用生物有机肥在低病土壤中对香蕉土传枯萎病有很好的防控效果；与玉米-香蕉轮作相比,菠萝-香蕉轮作是一种防效显著的轮作措施;在高发病土壤中,菠萝-香蕉轮作与施用生物有机肥这两种措施联合使用能够最大化地提高枯萎病的防控效率。两种措施均能提高土壤细菌和真菌的Alpha多样性;单纯的有机肥施用和综合措施均能显著提高真菌担子菌门(Basidiomycota)和接合菌门(Zygomycota)的相对丰度,降低子囊菌门(Ascomycota)和病原菌的相对丰度;相比单独施用生物有机肥和单独的轮作措施,综合措施的土壤微生物网络模块性更好;这两种措施中,菠萝-香蕉轮作对土壤微生物群落的构建影响更大。
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【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S436.68;S154.3

【参考文献】