论文部分内容阅读
糙毛仲彬草是青藏高原沙化草地的先锋牧草,具有发达的根鞘结构,其根鞘结构也是自身适应沙化生境的主要特征之一。为了分析糙毛仲彬草根系构型与根鞘形成的关系,确定根鞘重最适水分梯度,首先设置五个水分梯度（10%、20%、30%、40%和50%）和土壤处理（土壤未灭菌、土壤灭菌）。基于根鞘形成的最适水分初步探究根鞘形成机理,筛选了三个水分梯度（10%、25%、40%）,在土壤处理（土壤未灭菌、土壤灭菌）条件下,分析了根系内源激素与差异根鞘形成的关系;研究了土壤微生物多样性变化及关键微生物;筛选了关键分泌物、富集通路、主要差异基因等,结果表明:（1）随着水分的升高,未灭菌土壤培养条件下糙毛仲彬草幼苗根系的交叉数和分支数受高水分的影响增大;土壤灭菌处理后,20%水分梯度下的总根长和分支数,20%～50%水分梯度下的链接数和根尖数,40%水分梯度下的总根表面积和平均直径,40%～50%水分梯度下的总根体积较未灭菌条件增大。根系拓扑指数接近于1,为适宜贫瘠土壤生长的鱼尾形分支模式,在土壤中的伸长拓展能力（总根长、总根表面积、链接数和分支数）对根系构型的影响大于其在土壤中的固定渗透能力（平均根系直径）。根鞘重的影响因素为:田间持水量>微生物>分型维度（FD）>修正指数（qb）>根系固定渗透能力。根鞘重分别在20%～30%、30%水分梯度时最大,qb、FD和根系固定渗透能力显著正向影响了根鞘的形成。（2）在10%、25%和40%的水分梯度,未灭菌和灭菌条件下,10%水分梯度的种子萌发和幼苗成活率均最低（P<0.05）。土壤灭菌处理后,根系活力增大（P<0.05）;40%水分梯度的萌发率、25%和40%水分梯度的成活率降低（P<0.05）。比较根系ABA和GA含量,未灭菌土壤培养条件下,10%水分梯度含量最高（P<0.05）。灭菌培养条件下,10%和25%水分梯度无差异（P>0.05）,且均高于40%水分梯度（P<0.05）。土壤灭菌处理后,根系ABA、GA含量均高于未灭菌条件（P<0.05）。土壤和水分互做条件对根系ABA和GA含量的影响极显著（P<0.01）。比较根系IAA含量来看,10%水分梯度下的含量最低（P<0.05）;25%和40%水分条件之间差异不显著（P>0.05）。土壤灭菌处理后,根系IAA含量高于未灭菌培养条件（P<0.05）。土壤和水分的互做无显著影响（P>0.05）。40%水分梯度下的根系CTK含量最高,10%水分梯度下的根系CTK含量最低（P<0.05）。土壤灭菌处理后,根系CTK含量无显著变化（P>0.05）。土壤、土壤水分互做对其影响不显著（P>0.05）。随着水分梯度的增高,糙毛仲彬草幼苗根鞘重先增后减。25%水分梯度的根鞘重最大（P<0.05）。土壤灭菌处理对根鞘重的影响不显著（P>0.05）。根鞘重与TTC、ABA、IAA、CTK和GA之间均存在显著关系（p<0.05）;其中,根鞘重与TTC、IAA、CTK极显著正相关关系（p<0.01）;根鞘重与ABA极显著负相关关系（p<0.01）,根鞘重与GA显著负相关关系（p<0.05）。（3）不同水分条件下根鞘土壤微生物α多样性差异不显著（P>0.05）;未灭菌土壤培养条件下根鞘微生物α多样性高于灭菌土壤（p<0.05）。NMDS分析表明,土壤灭菌处理是影响土壤样品微生物β多样性差异的主要原因（p<0.05）。土壤处理后,三个水分梯度共有的OTUs占据了86%,微生物分布相对均匀,说明“植物-土壤”体系重新构建了微生物群体。未灭菌条件下根鞘微生物中OTU16（节细菌属,Arthrobacter）细菌起到了主要聚集作用。灭菌土壤培养条件下根鞘微生物中OTU10（马赛菌属,Massilia）细菌在糙毛仲彬草苗期根鞘的形成过程中重新构建微生物群体过程中的主要菌群。（4）糙毛仲彬草根系主要差异代谢物来看,10%水分梯度有58个,25%水分梯度有53个,40%水分梯度有114个,共有差异代谢产物10个。根系分泌物含量≥5%的种类组成比较来看,10%水分梯度的上调差异分泌物类固醇,在水分缺乏时,可以促进根系有机酸的分泌,刺激其根际微生物繁殖,提高根系活性。25%水分梯度下的上调差异分泌物1-（1Z-烯基）,2-酰基甘油磷酸丝氨酸,可以促进信号传导、提高根际拟杆菌的活性和根系活力。40%水分梯度下的上调差异分泌物为:类固醇及甘油脂,可以刺激微生物生长或调节植物生长。共同富集的KEGG通路有为:磷脂酰肌醇代谢、甘油磷酸脂、甘油酯类代谢、α-亚麻酸代谢途径。（5）比较土壤灭菌和未灭菌条件下,糙毛仲彬草根系差异表达基因:10%水分梯度下共有5689个（2414个上调,3275个下调）;25%水分梯度下共有11499个（1656个上调,9843个下调）;40%水分梯度下共有13136个（2069个,11067个）。低水分条件下的差异基因少于高水分梯度,说明随着水分升高,根系生理活性增强;土壤灭菌后,根系生理活性降低,下调的差异基因占据了多数。共有的9个上调差异基因是根鞘形成相关的潜在候选基因。GO富集的TOP30条目较多的集中于细胞过程（63.33%）。KEGG富集途径主要为核糖体、Rap1信号通路、不饱和脂肪酸的生物合成、类固醇生物合成等途径,决定了根系适应环境因子的分子机制,也是根鞘的形成的重要代谢途径。RAV和GRF转录因子在糙毛仲彬草根系中特异表达上调,调控了糙毛仲彬草根系在适应逆境和根鞘形成过程中的重要差异基因。（6）联合转录组学和代谢组学分析得出:烯酸代谢通路中的GPX基因,甘油酯代谢通路中的Dgk A基因,α-亚麻酸代谢通路中的OPR基因,氨基糖与核苷酸糖代谢通路中的CHS1基因,光合作用中的碳固定通路中的MDH基因,三羧酸循环（TCA）通路中的OGDh基因,磷脂酰肌醇信号系统通路中的CALM基因是分泌物富集通路中的差异基因,也是三个水分梯度未灭菌和灭菌培养条件下产生差异代谢物的关键候选基因。可以为深入探讨根系苗期的根鞘形成机制研究奠定基础和理论依据。