作物秸秆是自然界含量巨大、种类丰富、分布广泛且可再生的一种生物质资源,然而在农业上由于对秸秆的不合理处理方式,不仅浪费了秸秆资源,还给环境和人类安全带来巨大隐患。作物秸秆原位还田是目前农业上易于操作和推广的方式,但是秸秆不经处理直接还田容易带来一系列影响农业生产问题,如影响作物播种和出苗,容易使下茬作物发生病害等。利用能够降解木质纤维素的微生物来加速秸秆降解是一个很好的解决方案,这些微生物主要有芽孢杆菌、木霉菌等。本研究从实验室保存的分离于西藏的30株芽孢杆菌菌株入手,通过平板初筛,得到26株可以在CMC平板上产生透明圈的菌株,对这些菌株进行胞外酶活复筛和拮抗病原菌检测,最终得到了 2株兼具生防潜力且酶活较高的候选菌株BacilluspumilusGBSW19和B.axarquiensis LNXM37。我们进一步在液态发酵条件下检测了这两个菌株对作物秸秆的降解效果,发现当以1%体积比接种时,菌株GBSW19在降解9 d时秸秆失重率达25.7%,其中纤维素降解率为28.3%,半纤维素降解率为27.4%,木质素降解为45.6%。此外,我们还在在盆栽模拟实验中模拟了菌株GBSW19和其复配菌对水稻秸秆的降解作用,发现在15 d时秸秆的降解率分别达到了 58.5%和77.6%,因此具有很好的应用潜力。为了评价菌株对秸秆的实际降解效果,我们于2013年至2014年间在南京江宁区汤山孟墓社区的农场进行了田间实验,考察了施用菌株GBSW19、对照菌株和秸秆直接还田下秸秆降解情况,以及对田间土壤、作物的影响。通过在小麦-水稻轮作田两季的实验结果来看,施用菌株GBSW19能够显著加速小麦和水稻秸秆的降解,其中在冬季小麦实验田中,施用菌株GBSW19后作物秸秆在30 d的相对降解率为39.7%,而对照菌仅为24.4%;在夏季水稻实验田中,施用菌株GBSW19后降解速度显著提高,32 d时的降解率达到了 68.6%,对照菌为59.5%和58.5%,表明菌株GBSW19在田间降解效果要显著优于对照和直接还田。另一方面,我们对土壤pH和养分的变化进行了动态检测,在小麦田中喷施GBSW19的土壤pH会逐渐由酸性变至中性,且土壤中有机质、全氮和速效氮的含量在各个测定时间点均高于对照和各其他处理,说明秸秆还田能够促加速秸秆中的养分释放至田间土壤中。此外,通过对下茬作物生长的调查,发现当对秸秆进行打碎翻耕还田时,不管是否施用降解菌,均不会影响下茬作物的出苗和根系健康。但是施用GBSW19的水稻在生长后期株高和根长显著高于不施用菌株的对照,在收获时千粒重和籽粒产量均高于对照,因此,该菌不仅能够加速田间作物秸秆降解速度,还能有效改善土壤pH,增加土壤养分含量,提高作物产量,具有良好的田间应用价值。为了进一步研究该菌编码的木质纤维素降解酶类的特点,通过生物信息学分析对NCBI上已经登录的全序列菌株SAFR-032进行分析预测,推测其至少编码9个在纤维素,半纤维素降解过程中重要的酶基因,并成功从菌株GBSW19得到了克隆。利用原核表达系统对这9个酶基因进行重组表达,也都得到了可溶性的酶蛋白。这其中,编码一个甘露聚糖酶的基因Bpman5(NCBI登录号KF751615)由于其较高的活性引起了我们的注意,对其进行进一步的序列分析,发现其与已报道的甘露聚糖酶同源性很低(小于50%),是一个新的甘露聚糖酶。对纯酶进行酶学特征测定,发现它是一个热稳定、pH稳定和去污剂稳定的酶,且可以被部分金属离子和有机溶剂激活,具有很好的应用价值。该酶只能水解β型甘露聚糖。是一个典型的β-甘露聚糖酶。Bpman5在水解M4的过程中并没有产生等量的M1,说明可能发生了转糖基作用。此外,该酶能够水解半乳甘露聚糖底物刺槐豆胶生成聚合度2-6的甘露寡糖(manno-oligosaccharides,MOS),可以将来用以生产高附加值的寡糖。寡糖(oligosaccharide)激发子是一类生物性、非蛋白类激发子,之前大量的报道表明寡糖激发子能够诱导植物系统抗性的产生和/或促进植物生长,可以作为抗性诱导剂,是一种新型的生物农药。目前研究的寡糖多为葡寡糖、几丁寡糖、壳寡糖、昆布寡糖和木葡寡糖等,且能够诱导植物抗性的多是聚合度为7及以上的寡糖,对于甘露寡糖在植物上的研究几乎空白。利用得到的Bpman5纯酶对商品化的多糖底物刺槐豆胶进行寡糖制备并优化了制备条件,当水解温度为50 ℃,使用10 U/ml的甘露聚糖酶Bpman5水解底物浓度为10mg/ml的刺槐豆胶,水解生成的甘露寡糖总浓度为1.12 mg/ml,其中主要成分是甘露二糖、三糖和五糖。我们进一步在水稻和烟草上对其激发子活性进行检测,发现MOS能够在细胞水平上引起烟草保卫细胞的Ca2+内流、H2O2、ROS和NO的累积,并能够进一步引起水稻和烟草叶片发生过敏性细胞坏死、烟草气孔的关闭、激活防卫相关基因转录水平的上调表达并最终赋予植物抗性。此外,我们还发现当以MOS灌根处理水稻时,水稻株高、根长及鲜重均得到了显著增加;当浸种处理水稻种子时,水稻幼苗的根长也明显提升。以上结果说明,MOS不仅可以作为植物抗性诱导剂,又能作为促生因子,在农业生产上有非常广阔的应用前景。