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在长期的农业生产实践中,轮作、间作作为一项传统的农业复种耕作方式被世界各国广泛采用。尤其是将其他作物与豆科作物进行轮作、间作,既可以增加作物产量,提高土壤利用率,又对土壤肥力具有一定的促进作用。以往的研究主要集中在该耕作方式能够提高土壤氮元素的含量上。随着对具有固氮作用的豆科作物根瘤菌的研究发现,在固氮过程中某些根瘤菌能够释放H2,并影响其周围土壤微生物的种群结构,尤其是对能够以H2为能量来源进行化能自养的土壤氢氧化细菌具有明显的作用。氢氧化细菌在吸收根瘤菌释放的H2后大量繁殖,并能够产生ACC脱氨酶(1-氨基环丙烷-1-羧酸脱氨酶,1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid deaminase, ACC deaminase)和根瘤菌毒素(rhizobitoxine)等化学物质,可抑制植物体内乙烯的合成路径,通过降低乙烯水平发挥对作物的促生作用。某些氢氧化细菌的单菌落已被证实具有ACC脱氨酶活性,且能明显促进春小麦胚根的伸长和显著增加拟南芥叶片数以及其根和茎的干重。为了在分子水平上解释H2对作物促生作用的调节机制,即H2处理后根际土壤微生物ACC脱氨酶基因的变化,本论文主要运用实时定量方法(Real-time PCR)检测了8种不同H2处理土样中ACC脱氨酶基因的DNA拷贝数及其表达水平。本研究结果可部分阐释非豆科作物与豆科作物轮作、间作促进非豆科作物生长的作用机制,也为微生物学家和育种学家在挑选促进农业生产的工程菌种时提供理论指导。主要研究内容及结论如下：1.各土样ACC脱氨酶基因DNA拷贝数的检测结果如下：(1)实验室H2处理土样中DNA拷贝数较空气对照组显著增加；(2)缺乏氢酶(hydrogenase)活性的根瘤(HUP-)在固氮过程中能够释放H2,其根瘤附近土样中DNA拷贝数增加,且显著高于具有氢酶活性能释放少许H2的根瘤(HUP+)附近土样；(3)大田蚕豆根瘤附近土样中DNA拷贝数也高于大田土样对照组；(4)使用H2处理后的土壤种植大麦,大麦根际附近土样中,内圈土样DNA拷贝数也较其根际外圈土样增加。分析结果表明在不同H2环境中,具有ACC脱氨酶基因的土壤细菌种群数量增加,可推测这种变化使根际微生物种群生态结构发生改变,从而影响了土壤条件,发挥对作物的促生作用。2.对不同H2处理土样中细菌种群结构的检测结果显示土壤细菌中分枝杆菌属(Mycobacterium)细菌种群数量最高,其次是产碱菌属(Variovorax)细菌,而假单胞菌属(Burkholderia)细菌数量最低。此结果表明具有ACC脱氨酶基因分枝杆菌属(Mycobacterium)细菌对H2处理更为敏感,利用率最高；产碱菌属(Variovorax)土壤细菌可在H2环境中,通过消耗H2维持或者增加自身的种群数量。而假单胞菌属(Burkholderia)土壤细菌种群数量最低,推测其可能不是吸收利用H2的主要细菌组成。3.各土样ACC脱氨酶基因表达水平的检测结果如下：(1)H2处理后土样中mRNA数量较空气对照组显著增加；(2)HUP-根瘤附近土样中mRNA数量高于HUP+土样；(3)大田蚕豆根瘤附近土样中mRNA数量也较大田对照土样增加；(4)大麦根际内圈土样mRNA数量也显著高于外圈土样。这些结果可推测H2处理使得土壤细菌ACC脱氨酶基因表达水平上调,菌体中ACC脱氨酶浓度增加,可催化分解渗透出植物体外的乙烯合成前体ACC,降低乙烯合成水平,促进作物生长。4.不同H2环境土样中,产碱菌属(Variovorax)细菌ACC脱氨酶基因表达水平最高,其次是分枝杆菌属(Mycobacterium)细菌,而假单胞菌属(Burkholderia)细菌表达水平最低。此结果表明产碱菌属(Variovorax)细菌的ACC脱氨酶基因表达活性对H2处理响应更为敏感。5.运用特异引物对已被分离的具有作物促生作用的土壤氢氧化细菌进行ACC脱氨酶基因存在的验证。结果表明属于产碱菌属(Variovorax)的4种单菌落均具有ACC脱氨酶基因,这为研究产碱菌属的作物促生机制奠定了基础。而未检测出具有ACC脱氨酶活性的假单胞菌属(Burkholderia)的4种单菌落也被探测出ACC脱氨酶基因的存在,这表明对假单胞菌属ACC脱氨酶促生途径仍需进一步研究,以解释其属单菌落的促生机制。