【摘 要】
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水稻是世界上最重要的粮食作物之一,酸性土壤中的铝胁迫严重限制了水稻生长和作物产量。栖息在根际的细菌能够通过多种不同的机制减轻非生物胁迫对植物的影响,研究根际微生物对水稻耐铝功能的调节机制是维持酸性土壤中水稻正常生长和未来通过微生物调控促进谷类作物在酸铝条件下健康生产的必要理论基础。本研究基于中国主要水稻产区土壤样本和实验室水稻盆栽实验,探究了不同土壤铝胁迫条件下根际微生物与水稻的相互作用,利用转录
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水稻是世界上最重要的粮食作物之一,酸性土壤中的铝胁迫严重限制了水稻生长和作物产量。栖息在根际的细菌能够通过多种不同的机制减轻非生物胁迫对植物的影响,研究根际微生物对水稻耐铝功能的调节机制是维持酸性土壤中水稻正常生长和未来通过微生物调控促进谷类作物在酸铝条件下健康生产的必要理论基础。本研究基于中国主要水稻产区土壤样本和实验室水稻盆栽实验,探究了不同土壤铝胁迫条件下根际微生物与水稻的相互作用,利用转录组技术分析不同铝胁迫条件下根际微生物对水稻转录组基因表达的影响,并确定了根际微生物影响水稻耐铝功能的关键基因。主要研究结论如下:1、稻田土壤pH对耐铝微生物之间的多样性和潜在关联的影响对中国东部主要产区的水稻土理化性质分析显示,在p H＜5.1时,可交换性Al3+含量随p H值的降低显著升高。对大陆尺度稻田土壤中耐铝微生物的研究表明,土壤p H值是驱动耐铝细菌群落多样性和关联模式的最重要因素,高铝含量酸性土壤中的耐铝微生物表现出更复杂的网络。耐铝细菌之间的关联在p H＜5.1的土壤中最为复杂。2、铝胁迫下根际微生物对水稻叶片基因影响的转录组分析水稻实验结果表明,无论在有铝胁迫还是无铝胁迫的情况下,与未添加根际微生物的水稻植株相比,根际接种红球菌和铜绿假单胞菌对水稻植株的生长具有显著的积极作用。转录组学分析表明,根际微生物的加入导致了水稻叶片转录组的较大改变。通过对差异表达基因进行GO（Gene Ontology）功能注释和KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes）通路富集分析发现,Al+SN vs Al+CK和Al-SN vs Al-CK对比组中均发生了不同功能的调控,可能代表根际微生物在铝胁迫下对水稻的影响。3、铝胁迫条件下根际微生物对水稻耐铝关键功能的影响通过功能富集分析我们主要关注了生长与抗逆相关功能的变化,如光合呼吸与糖类、有机酸、细胞壁、次级代谢、氧化还原等相关功能,Al+SN vs Al+CK和Al-SN vs Al-CK对比组之间在各功能都有较大差异。在生长方面,无铝胁迫情况下观察到根际微生物对水稻叶片光形态发生的调节和叶绿体相关功能的调控,在呼吸作用相关功能中,根际微生物对水稻几乎无影响。在有铝胁迫情况下观察到光合作用的抑制,同时糖类的转运、分解代谢过程表现为下调。在抗逆功能方面,无铝胁迫情况下水稻植株调控了脱落酸的代谢与合成的功能,普遍上调β-葡聚糖生物合成、纤维素生物合成、纤维素合酶活性和植物型初生细胞壁生物发生过程。在有铝胁迫的条件下,水稻植株可能与微生物相互作用,导致水稻植株中脱落酸、羧酸、肉桂酸、丙酮酸、丙氨酸相关基因的较高表达。根际微生物接种后木质素、花青素、黄酮类生物合成过程显著上调,可能有利于水稻应对铝应激造成的氧化胁迫。4、受根际微生物影响的水稻耐铝关键基因筛选通过对参与主要生长与抗逆功能的基因在Al+SN vs Al+CK和Al-SN vs Al-CK对比组中不同上下调情况的分类讨论,锁定了几个受根际微生物调控的,同时促进水稻耐铝功能的关键基因。Os01g0151500、ADC1、SAPK9与抗氧化防御有关,表明根际微生物可能通过减少活性氧的积累,减轻氧化应激来促进水稻的生长。SAPK9和Os WRKY24受植物激素调节,并且通过激活防御基因表达来正向调节植物抗病性。Os08g0246400介导氧化磷酸化功能作用于线粒体,与ATP的合成有关。GA2ox3被报道参与赤霉素的代谢过程,介导植物的发育过程。DPE1参与了水稻胚乳中的淀粉合成,对植物发育、作物质量和营养至关重要。
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