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目前,我国化肥养分利用效率低,必须探索养分高效利用的有效途径,加快推进新型绿色农业投入品的研发和推广。γ-聚谷氨酸(γ-Polyglutamic acid,γ-PGA)是一种新型的多功能生物制品,具有易分散、无毒无害和生物可降解等优良特性,可作为肥料增效剂应用于农业生产中,实现减肥、提质、增效的效果。本研究筛选并鉴定了一株γ-PGA高产菌,优化发酵组分的最佳添加量,运用全基因组测序手段挖掘菌株潜在γ-PGA合成与降解代谢相关途径,通过制备γ-PGA纯品和γ-PGA发酵液,开展盆栽试验,比较并探究减施30%氮肥背景下,γ-PGA不同制品对小白菜的促生增效能力,并分析其对小白菜根际土壤微环境的影响。研究主要结果如下:(1)从本试验室微生物资源库筛选得到一株γ-PGA高产菌株A-5,经过形态观察、生理生化鉴定、16S rDNA测序等最终确定菌株A-5为枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)。通过正交试验确定Bacillus subtilis A-5发酵产γ-PGA培养基中氮源、碳源及发酵前体的最佳添加量。最终γ-PGA产量最高可达34.21 g·L-1,重均分子量Mw为4699 kDa。(2)菌株Bacillus subtilis A-5全基因组测序结果显示,其基因组大小为4,190,775 bp,GC含量为43.37%,含有一条染色体(chromosome,Chr)和两条质粒(plasmid A,plasmid B),蛋白质编码区CDS 4605个,区域长度为3,664,629 bp。功能注释显示,Bacillus subtilis A-5的基因功能主要在氨基酸转运和代谢等方面。另外,预测并分析了与γ-PGA合成相关的基因簇pgsBCA和关键因子pgsE、降解相关基因pgdS、ggt和cwlO的跨膜情况和亚细胞定位,为提高Bacillus subtilis A-5的γ-PGA生产能力奠定基础。(3)以小白菜(Brassica rapa L.ssp.chinensis L.)为供试作物设计盆栽试验,研究了氮肥减施(30%)背景下γ-PGA纯品、Bacillus subtilis A-5菌液以及γ-PGA发酵液对小白菜生长、产量、土壤环境的影响。结果表明,γ-PGA纯品、Bacillus subtilis A-5菌液以及γ-PGA发酵液对小白菜均有一定促生作用,其中,γ-PGA发酵液处理组产量显著高于其它处理(P<0.05),分别为不施肥、常规施肥、减30%氮肥、减30%氮肥+γ-PGA纯品和减30%氮肥+Bacillus subtilis A-5菌液处理的1.64、1.15、1.38、1.15和1.10倍;叶面积也均与减氮处理形成差异。另外,γ-PGA发酵液在植株对养分吸收和提高土壤脲酶活性方面也表现出一定优势,氮、磷肥料利用率均为各处理中的最高,分别达到52.15%和8.03%,具有改善土壤环境和作物增产提质的潜力。(4)相比减氮处理,施用Bacillus subtilis A-5处理(菌液和发酵液)后根际土壤TN和TP均有下降,但提高了根际土壤酶活性,尤其是发酵液处理对脲酶活性的提升显著高于其他处理(P<0.05)。菌液和发酵液处理降低了根际微生物多样性,也显著影响了土著根际细菌群落结构和组成。最主要的优势菌门为放线菌门(Actinobacteriota)和变形菌门(Proteobacteria),相对丰度分别为34.55~40.90%和20.55~27.03%;组间ANOVA显著性分析发现,门水平中丰度前十且处理间具有显著性差异的菌包括Chloroflexi、Myxococcota、Cyanobacteria、Gemmatimonadota、Methylomirabilota(P<0.05)。丰度前10的属水平物种包括unclassified_f_Micrococcaceae、Bacillus、norank_f_norank_o_Vicinamibacterales、norank-f_Vicinamibacteraceae、Sphingomonas、Nocardioides、Lysobacter、Gaiella、unclassified_f_Intrasporangiaceae、unclassified_f_Nocardioidaceae;组间ANOVA差异显著性分析发现,属水平中丰度前十且处理间具有显著性差异的菌包括unclassified_f_Micrococcaceae、Bacillus、Nocardioides、Gaiella。土壤脲酶和pH为影响小白菜根际微生物群落组成的关键环境因子。另外,FAPROTAX预测结果表明γ-PGA制剂的施加显著改变了化能异养、物质分解和氮素循环的根际土壤细菌丰度。综上所述,Bacillus subtilis A-5是一株具有高产γ-PGA潜力的功能性菌株,具有γ-PGA合成和降解相关基因;由Bacillus subtilis A-5发酵生产的γ-PGA发酵液具有良好的减肥增产提效作用,不仅提高植株养分吸收,增加作物产量,改善土壤地力环境,同时还可影响根际土壤微生物群落组成和结构,提升有益菌相对丰度,具有较强应用价值。