食细菌线虫促进小麦生长的磷素活化机制研究

发布时间：2020-05-29 14:53

【摘要】：土壤食细菌线虫通过对细菌的取食来影响微生物数量、活性以及物质和能量的传递。近年来土壤食细菌线虫对土壤-植物系统的影响逐渐成为土壤生态学的研究热点。关于食细菌线虫促进植物磷素吸收的研究大多停留在磷素含量的变化方面,为了阐明其作用机制,还需解答以下三个问题:食细菌线虫如何影响解磷菌在植物根部的定殖?食细菌线虫如何提高土壤中磷素的生物有效性?植物又如何对在食细菌线虫的作用下土壤有效磷含量的升高做出响应?本研究从小麦根际筛选出两种土著优势食细菌线虫和根际解磷菌作为供试线虫和菌株,对解磷菌进行绿色荧光蛋白标记(GFP)后,采用设置种植冬小麦的悉生微缩培养试验(gnotobiotic microcosm culture system)探究二者之间的相互作用及其对土壤中速效磷、微生物量磷、草酸、磷酸酶活性、磷素形态变化以及小麦生长情况的影响,同时结合磷素响应基因在小麦根部表达情况,从分子生物学层面揭示土壤食细菌线虫促进小麦生长的磷素活化机制。研究结果如下:1.在小麦根际土壤中筛选鉴定出两种土著优势食细菌线虫,中杆属线虫(Mesorhabditis sp.,c-p=1)(N1)和拟丽突属线虫(Acrobeloides sp.c-p=2)(N2);同时筛选两株优势解磷菌X3、X8,经鉴定:X3为沙福芽孢杆菌(Bacillus safensis)(B1),革兰氏阳性,X8为绿针假单胞菌(Pseudomonas chlororaphis)(B2),革兰氏阴性。利用GFP技术对X3、X8菌株进行标记,得到了稳定遗传的工程菌株X3-gfp、X8-gfp。2.通过种植小麦的悉生微缩培养试验系统研究土壤食细菌线虫与解磷菌的相互作用,结果表明:在培养期内,线虫数量呈现先增加后降低趋势,并在20天时达到最大,比0天增加了33.8%-89.7%。接种食细菌线虫能够提高解磷菌的数量与活性,食细菌线虫与解磷菌的数量均因二者种类的不同而产生差异,其中B2N1处理均要高于其他处理;线虫数量的变化趋势与解磷菌数量变化相一致,两者之间呈现“正反馈效应”。3.利用激光共聚焦显微镜观察在食细菌线虫对解磷菌在小麦根部定殖情况的影响表明:解磷菌均能够在小麦根的伸长区、根毛区、次生根的形成点附近进行定殖;接种食细菌线虫处理的荧光亮度要大于单接菌处理,表明食细菌线虫能够促进解磷菌在小麦根部的定殖。4.食细菌线虫能够有效提高土壤速效磷、微生物量磷、草酸含量以及磷酸酶活性。不同食细菌线虫与解磷菌种类之间也存在差异,10-40天内,B2N1处理土壤速效磷与微生物量磷含量均高于其他处理;草酸含量随着培养时间的增加而呈现降低后平稳的趋势,在40天时,B2N1处理草酸含量要高于其他处理,但差异不显著;在40天时,B2N1处理下的酸性磷酸酶含量要显著高于其他接种线虫处理,其大小顺序为:B2N1B1N2B1N1B2N2,与CK处理相比分别提高了15.37%、28.42%、34.26%;土壤碱性磷酸酶活性总体呈现增加趋势,接种菌株B2处理的碱性磷酸酶活性要显著大于接种菌株B1处理,在40天时,与单接B2处理相比,接种两种食细菌线虫均提高了土壤碱性磷酸酶活性。对环境因子进行主成分分析(PCA)发现:接种食细菌线虫和解磷菌均能够有效的提高土壤解磷菌数量与活性、速效磷、微生物量磷、草酸含量以及磷酸酶活性且各环境因子之间均相互影响。5.食细菌线虫能够促进土壤磷素由难溶态磷(NAP)向可溶性形态磷素(AP)转化,提高土壤磷素的生物有效性。接种线虫处理的可溶性磷含量比例要高于单接菌处理,其中B2N1处理效果最好,其AP含量比例高达45%,与CK处理相比增加了25%,NAP含量降低了27%。6.接种食细菌线虫处理的小麦地上部/地下部生物量和磷积累量均要高于单接菌处理。对于地上部/地下部干物质积累来说,接种N1线虫效果要好于N2线虫。培养30天后,B2N1处理的小麦地上部磷积累量要高于其他处理,B1N1地下部磷积累量要高于B2N1处理。7.接种食细菌线虫能够有效提高小麦RL、RV、RSA等根系指标,小麦根尖数增多,根长增加、具有更大表面积和更多分支。随着培养时间的增加,B2N1处理根系形态的发展更加趋于均匀。小麦根系形态主要与无机磷组分有关,Resin-P和NaHCO_3-Pi与所有根系形态指标均呈现显著的正相关关系;NaOH-Pi与RL、RF、RV、RSA显著相关;HCl-Pi与浓HCl-Pi均与所有根系指标呈极显著的负相关,表明小麦根系形态受到可溶性磷素的影响。8.接种食细菌线虫能够上调磷素低亲和转运基因TaPHT1;1和TaPHT2;1的相对表达量;下调磷素高亲和基因TaPTH1;2的相对表达量。可溶性形态磷(AP)与TaPHT1;1和TaPHT2;1呈正相关关系,而与TaPTH1;2呈负相关关系。速效磷含量与TaPHT2;1的相对表达量呈现极显著的正相关,相关系数达到了0.929。Resin-P则与TaPHT1;1的相对表达量呈显著正相关关系。NaOH-Po含量与TaPHT1;1相对表达量呈显著负相关,难溶性形态磷(NAP)中的HCl-Pi与TaPHT1;2基因相对量呈显著正相关,其相关系数达到0.821,浓HCl-Pi含量与TaPHT2;1相对表达量呈显著负相关,相关系数为0.857。表明有效磷含量变化能够影响磷素响应基因的表达,进一步从分子生物学角度阐明了食细菌线虫作用下,小麦生长对土壤中磷素变化的响应情况,结合土壤磷素活化情况,共同揭示了食细菌线虫促进小麦生长的磷素活化机制。
【图文】：

食细菌线虫,交互网络,根际促生菌,促生菌

nteraction networks between bacterivorous nematodes and ALP-producing bacterial磷菌(PSB)的研究进展际促生菌(PGPR)的概念以及种类际促生菌(Plant growth-promoting rhizobacteria，，PGPR)是分布在植径来促进植物生长的一类根际细菌。最早是由 Kloepper 和 Schroth并定义“根际促生菌”这一概念[56, 57]。并认为，根际促生菌是能程中不可或缺的一类根际生物。而随着对根际促生菌研究的深入发强的环境适应能力、高增长率以及生化多功能性等优势导致它们能根际土壤中定殖生存[58]。Cook[59]在 2002 年提出将 PGPR 作为农业组成部分，这也标志着根际促生菌在农业生产中开始发挥作用。随其概念的定义及划分也随之变化。Weller 和 Vessey 等人[60, 61]认为三个条件中的两个：(1)主动定殖(aggressive colonization)；(2)能够th stimulation)；(3)具有生防功能(biocontrol)。这个标准目前也获得图 1 食细菌线虫与产 ALP 细菌的交互网络图(Jiang, et al, 2017)

菌落形态,菌落形态,菌株,淀粉水解

22图 3 菌株 X3、X8 的菌落形态特征Figure 3 The colony of strain X3, X8菌株进行革兰氏染色、好氧性试验、接触酶试验、甲基红反应（M.R）指标测定后得到其生理生化指标（表 5）。从此表中可知，X3 菌株为水解呈阳性；而菌株 X8 则为格兰氏阴性菌，淀粉水解呈阴性。其余指性质即：均为兼性厌氧型细菌，接触酶试验、 V-P 试验、明胶液化和性；而甲基红反应以及柠檬酸盐利用试验两者均呈现阴性反应。表 5 菌株 X3 与 X8 的生理生化特性Table 5 Physiological characteristics of strain X3, X8标结果指标结果X3 X8 X3 X8氏染色 + - 淀粉水解 + -性试验兼性厌氧兼性厌氧明胶液化 + +
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S512.1

【参考文献】