西北地区甘草根系微生物群落及其功能特性的研究

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土壤微生物种类繁多,且与植物生长发育密切相关。根系微生物主要源于土壤,并受宿主植物和多种环境因素的共同影响。然而,目前对于药用植物甘草根系微生物群落的分布、功能特性及其环境响应规律仍不清楚,从而限制了我们通过调控微生物群落来促进甘草的生长和根内次级代谢产物的积累。本文以中国西北不同地域的甘草及其根系微生物群落为研究对象,探究了不同生态型甘草根系微生物群落的分布,分析了多种因素影响下根系微生物群落对根内次级代谢产物的调控;研究了道地产区中不同生长年限甘草根系核心细菌群落的时间演替模式及其环境影响因素;再结合网络分析,研究了栽培与野生甘草根系微生物食物网络的特异性及其对根内次级代谢产物的调控作用;同时,针对道地产区甘草的连作障碍问题,通过添加化感物质、宏基因组测序、化感物质降解菌株的分离及回接盆栽实验,探究了甘草根际细菌对化感物质的响应及其对化感作用的缓解效果。得到结果如下:(1)通过对甘草植株的群体遗传测序和分析,发现不同采样地点的甘草植物群落明显地分化为五种生态型,其分化受地理距离和土壤速效氮驱动。不同植物生态型之间,土体土、根际土和根内微生物群落结构存在显著差异。方差分解模型分析结果表明,环境、地理和植物因素对根系微生物群落的影响程度不同,其中环境因素对根际土真菌群落变异的解释度最高。进一步分析发现,甘草根内次级代谢产物同时受到多种非生物(地理距离、气候因素和土壤理化性质)和生物因素(植物群落、微生物群落多样性和结构)的复杂调控,且在根际土对应模型中的解释度最高。该结果表明环境、植物和微生物的相互作用共同影响根内次级代谢产物。(2)通过对不同生长年限甘草的根系细菌群落进行分析,发现根系细菌群落的alpha多样性从土体土、根际土再到根内逐渐降低,且在根际土中的聚集性最强。细菌群落差异富集分析,发现不同采样部位和生长年限的核心富集类群不同,并表现出不同的时间衰减关系。再通过分析不同生长年限甘草对应土壤理化性质和根内次级代谢产物含量,发现两者间的时间变化模式具有差异性。而且,土壤中总钾含量作为关键的环境因子与甘草根内次级代谢产物和空白及根际土中单一核心富集的物种有显著相关性。(3)通过比较栽培和野生甘草根系微生物群落,结果发现原生生物群落alpha多样性均低于真菌和细菌群落,但具有较高的随机性过程和明显的群落结构变化。由结构方程模型发现,在不同关键土壤理化因子的驱动下,单一的真菌和细菌群落在次级代谢产物的调控中发挥着较为重要的作用,而原生生物群落则不能单一的调控次级代谢产物。根际土和野生甘草对应的网络具有复杂的结构,且网络中特定的响应模块始终与根内次级代谢产物呈显著正相关,并受土壤理化性质的影响较大。而且,大多数响应模块中至少存在一个原生生物类群,这些模块对根内次级代谢产物产生直接或间接的差异性调控,这与不同类群微生物的潜在相互作用密切相关。(4)通过盆栽实验,用外源添加甘草酸来模拟甘草化感自毒物质对甘草生长和根际微生物群落的影响,结果发现外源甘草酸不仅抑制了甘草植株的生长发育,还特异性地重塑和富集了一些根际细菌和与甘草酸降解相关的功能基因。其中,新鞘氨醇杆菌属(Novosphingobium)在富集类群中比例较高,并出现在宏基因组分箱组装的类群中。通过特异性的富集培养和分离纯化,得到四株对甘草酸有降解作用的菌株,结合其基因组特征以及对甘草酸的降解效率,构建合成菌并进行回接实验,发现这些菌在根际土中的定殖能力及其对根际土中甘草酸的降解效率不同,从而对甘草化感作用产生不同的缓解效果。其中,单一菌株N(Novosphingobium resinovorum)对甘草幼苗化感作用的缓解效果最强,而且强于多菌接种。综上结果,本研究揭示了甘草根系微生物群落在其不同的生态型和生长年限及品种之间分布的差异性,及其对外界环境的响应和对甘草根内次级代谢产物调控方式的特异性;揭示了不同类型的根系微生物群落对微生物食物网络的贡献不同,但它们共同调控根内次级代谢产物。发现并证实了甘草根际特异性富集的细菌对其化感自毒作用具有明显的缓解效果。这些结果为今后甘草栽培地块和田间管理措施的选择提供了一定的理论指导,并为利用具有功能特性的根际细菌解决药用植物连作障碍问题提供了一定的实验参考。
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