大豆内生细菌多样性对阿特拉津胁迫的响应及其筛选与应用

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阿特拉津是一种三嗪类除草剂,被广泛应用于玉米农田的杂草防治。然而,由于阿特拉津具有长残留及生物毒性的特点,因此土壤中残留的阿特拉津会对敏感作物大豆产生药害作用,严重制约粮食安全。内生细菌已被证实在维持作物生长及提升作物对非生物胁迫的耐受方面具有重要作用,但阿特拉津是否对大豆内生细菌群落结构产生影响,以及内生细菌能否缓解阿特拉津对大豆生长的抑制作用仍不得而知。本研究借助高通量测序技术,考察大豆内生细菌群落结构对阿特拉津污染的响应,系统筛选具有促生能力和耐阿特拉津特性的内生细菌;通过发芽试验和盆栽试验,进一步考察了接种内生细菌缓解阿特拉津对大豆的胁迫作用效果与生物学机制。主要研究结果概况如下:(1)通过高通量测序手段,分析了不同浓度(0 mg·kg-1、10 mg·kg-1、20 mg·kg-1)阿特拉津胁迫下大豆内生细菌群落结构和多样性,结果表明,在10 mg·kg-1阿特拉津胁迫处理下,大豆根内生细菌chao1指数和Simpson指数较空白对照处理相比无显著变化,这说明上述浓度水平阿特拉津对大豆内生细菌群落的多样性无显著影响。但阿特拉津暴露浓度达到20mg·kg-1时,大豆根内生细菌chao1指数显著上升、Simpson指数显著下降,这说明阿特拉津显著降低了大豆内生细菌群落的多样性。从物种组成上看,阿特拉津暴露增加了Firmicutes、Patescibacteria门的丰度,同时Massilia、Variovorax、Bacillus等菌属丰度也有所增高。其中GCK处理中有101个独有的OTU,GT1处理中有43个独有的OTU,GT2处理中有100个独有的OUT。通过PCo A分析分析发现,20 mg·kg-1阿特拉津处理组与0 mg·kg-1和10 mg·kg-1阿特拉津处理组样品间距离差异明显,进一步说明了20 mg·kg-1阿特拉津暴露显著改变了大豆根内生细菌群落结构。(2)利用微生物平板分离技术,从大豆根样品中共分离出51株内生细菌,分属于3个门、9个属,其中不动杆菌属(Acinetobacter)占据比例最高(31%),其次是芽孢杆菌属(Bacillus)、和克雷伯氏菌属(Klebsiella)均占总数的25%。上述菌株体外促生活性鉴定结果表明:共47株内生细菌可以分泌吲哚乙酸(IAA),分泌的IAA量最高可达23.00 mg·L-1;有47株内生细菌具有解磷能力,可溶性磷含量最高可达153.92 mg·L-1;产铁载体能力较强的菌株共4株,铁载体活性值在40-100之间。进一步对促生能力较强的菌株进行耐阿特拉津测试,其中L15、L22、T2-2、L17、L2、N1-2、N18共计7株菌对20 mg·L-1阿特拉津具有较强的耐受性,并且该7株菌株在高通量测序的结果中均有所发现,大部分菌属随着阿特拉津浓度的增加其相对丰度均有所提高,为进一步验证内生细菌促生抗逆效应研究提供了有力的依据。(3)种子萌发试验结果表明,与阿特拉津污染组相比,接种内生细菌L15、L22、T2-2、N1-2、N18的处理大豆种子发芽势分别提升了37.49%、73.25%、43.75%、43.73%、47.24%;发芽率分别提升了37.50%、62.48%、43.73%、18.74%、56.24%。其中接种L22、N18的处理大豆种子发芽势、发芽率、发芽指数、种子活力指数均达到了未受阿特拉津污染胁迫的水平。说明上述内生细菌接种能够缓解阿特拉津对种子萌发的抑制作用。(4)大豆幼苗盆栽试验结果表明,与阿特拉津污染组相比,接种内生细菌L15的处理大豆幼苗株高、根长和生物量分别提升了12.9%、122.09%、33.22%,接种内生细菌L15、L22、N18的处理大豆幼苗叶部总叶绿素的含量分别提升了188.12%、171.53%、200.87%;此外,接种内生细菌L15、L22、T2-2、N1-2、N18处理均使大豆幼苗根和叶的质膜过氧化现象得到显著缓解,其中MDA含量、SOD酶活性、POD酶活性、CAT酶活性均达到未受阿特拉津污染胁迫的水平。说明上述内生细菌接种能够缓解阿特拉津对大豆幼苗生长及生理特征的抑制作用。
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