黄芪种子萌发相关微生物的群落结构及其促生特性研究

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蒙古黄芪的干燥根是一种大宗药材,具有较高的经济与药用价值,但是受到黄芪种子发芽率低的影响,阻碍了黄芪的种植和生产。种子微生物可以促进种子萌发与植物生长,但是目前对黄芪种子萌发过程中微生物群落多样性、构建过程与功能变化却知之甚少。本研究利用扩增子测序技术,探究了黄芪种子萌发相关微生物的群落多样性和构建,阐明不同生态位(种子内与种子际)、萌发与未萌发以及不同时间的种子微生物群落;通过宏基因组测序技术,分析了萌发与未萌发种子际土壤微生物功能的差异,再基于微生物组成与功能差异的分析结果,分离培养促萌发和生长相关功能的菌株,并通过接种实验,从而验证菌株促种子萌发与植物生长的性能,最终获得具有应用潜力的优良生产菌株。主要结果如下:(1)基于扩增子测序分析,结果表明种子内生微生物α多样性低于种子际。与未萌发种子相比,萌发种子内生细菌群落α多样性更高,萌发与未萌发种子际土壤微生物群落差异不显著。随着萌发时间增加,种子内的细菌α多样性增加,而种子际的细菌与真菌α多样性降低。微生物群落组成分析结果表明不同生态位、萌发与未萌发以及不同时间下微生物群落组成差异显著,并且发现在未萌发种子内与种子际富集了潜在病原真菌Fusarium。(2)通过共现网络构建,发现种子内比种子际的微生物网络更加简单。与未萌发种子际土壤相比,萌发种子际土壤微生物的共现网络更加复杂。通过中性模型与零模型分析,发现同质选择更能塑造萌发种子细菌群落构建过程,生态漂变对未萌发种子相关真菌群落构建影响更大。此外,种子细菌群落构建过程随时间的增加,其同质选择影响更大,而真菌群落随时间增加,生态漂变影响更大。(3)通过宏基因组数据分析与功能预测,结果发现萌发种子内的微生物特异性地富集与代谢相关的功能基因,未萌发种子内富集了与次生代谢物和抗生素相关的功能基因。萌发种子际土壤的微生物功能多样性低于未萌发种子际土壤。萌发种子际土壤微生物富集了纤维素降解、转运蛋白以及细菌抗药性等相关功能基因,未萌发种子际土壤微生物富集了ABC转运蛋白、MFS转运蛋白等转运相关的功能基因。此外,萌发与未萌发种子相关真菌群落营养模式不同,萌发种子相关的真菌以共生与腐生为主,而未萌发种子以病原菌Fusarium为主。(4)基于扩增子与宏基因组数据分析,获得了萌发与未萌发种子以及种子际土壤的差异微生物与功能。通过试验证实了黄芪种子的萌发受到种皮纤维素、激素IAA与种子病原菌Fusarium的影响。分离培养的功能菌株显著促进黄芪种子的萌发,这些菌株的功能性状的大小与促进种子萌发的指标显著相关。其中归属于Bacillus与Trichoderma的菌株在平皿中具有最高的黄芪种子促萌发能力,进一步发现细菌Paenibacillus sp.和真菌Trichoderma sp.以及它们的组合可以在土壤环境中显著促进黄芪种子的萌发与植物生长。综上所述,本文通过扩增子和宏基因组测序揭示了蒙古黄芪种子萌发相关的微生物多样性、构建过程、共现模式与功能的差异,挖掘了对蒙古黄芪种子萌发有影响的潜在微生物类群与功能。此外基于培养方式分离培养了具有促种子萌发的菌株,并且验证了Paenibacillus sp.和Trichoderma sp.促进蒙古黄芪种子萌发与生长的作用。该研究将为后续利用微生物资源促进黄芪种子萌发与提高植物性状提供理论指导和优良的菌株资源。
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