根际微生物群落对挥发性有机物和作物生长的影响

论文摘要

随着资源环境问题的不断加剧,许多学者开始从植物-微生物互作关系中探寻实现农业绿色安全可持续发展的有效途径。根际是植物-土壤-微生物交互作用的热区,根际微生物作为其中最活跃的参与者,与植物的生长发育、养分吸收以及生物和非生物抗性密切相关。植物-微生物互作涉及广泛的信号传导,挥发性有机物（VOCs）作为其中一种特殊的信号物质,在根际互作中起着重要调节作用,具有广泛的农业应用前景。本课题分别利用我国山东德州（DZ）、河北涞水（LS）、河北曲阳（XL）、江西南昌（NC）、河南孟津（MJ）、河南商丘（SQ）等6个地区的旱地耕层土壤和接种不同微生物群落的灭菌潮土进行玉米盆栽试验,通过顶空固相微萃取联合气相色谱-质谱联用技术和高通量测序技术等,分析比较了不同土壤玉米根际微生物群落特征及挥发性有机物组成,并试图从土壤酶活性、根系植物激素和挥发性有机物等多个角度阐释根际微生物群落对作物生长的影响及作用途径。研究结果如下:1、从6种土壤中共检测出44种VOCs,主要是烷烃、烯烃、酯类、胺类、有机酸和芳香类化合物,其中多种化合物与植物或微生物的生长代谢密切相关,胺类化合物N-Benzyl-N-ethyl-pisopropylbenzamide和D-2-Bromolysergic acid diethylamide在6种土壤中均被检出,占总量的54.2%;其次是烷烃和烯烃,分别占总量的31.1%和7.6%。NC释放的VOCs在数量和丰富度上均显著高于其他处理,主要成分是烷烃和烯烃类化合物;从XL中检出了6种特有的有机酸和酯类化合物。供试6种土壤中,SQ和XL的细菌数量较高,NC的真菌数量较高,但NC的细菌数量、丰富度和多样性均显著低于其他土壤。6种土壤中的主要细菌依次为Thaumarchaeota、Actinobacteria、Proteobacteria、Chloroflexi、Acidobacteria、Firmicutes和Unclassified,占总细菌群落的92.1%;主要真菌依次为Ascomycota、Basidiomycota和Chytridiomycota,占总真菌群落的98.3%。绿弯菌门仅在NC中占绝对优势,而NC中奇古菌门和变形菌门显著少于其他处理;子囊菌门在6种土壤中均为绝对优势真菌门。玉米根际释放的VOCs数量和丰富度与pH、硝态氮、细菌多样性和真菌多样性显著负相关（P<0.05）,与铵态氮和真菌数量极显著正相关（P<0.01）;与Thaumarchaeota、Proteobacteria和Acidobacteria的群落相对丰度显著负相关（P<0.05）,与Chloroflexi的群落相对丰度极显著正相关（P<0.01）,但是与主要真菌的群落相对丰度相关性不显著。2、在土壤类型、初始微生物群落和植物根系的影响下,土壤微生物会在玉米根际聚集形成以Proteobacteria、Bacteroidetes、Acidobacteria、Firmicutes、Chloroflexi、Actinobacteria、Planctomycetes、Verrucomicrobia和Ascomycota为主的根际微生物群落,并且显著影响玉米生长,根际细菌和真菌数量、细菌和真菌群落多样性、细菌和真菌群落结构与组成均在不同程度上对玉米生长及玉米植株养分积累产生影响。根际细菌丰度、细菌和真菌群落多样性与亮氨酸氨肽酶和酸性磷酸酶活性呈显著正相关关系,Proteobacteria、Acidobacteria和Thaumarchaeota与土壤酶活性也表现出正相关关系。本研究通过超高效液相色谱-串联质谱技术从玉米根系中检测到了19种不同种类的植物激素,含量高于1ng/g的依次是JA、IAA、ABA、SA、ICA和CZ,其中14种激素含量与根际微生物群落多样性或种群丰度存在显著相关性。从玉米根际土壤检测到的89种VOCs中,相对丰度大于1%的有19种,其中有17种VOCs与根际微生物群落多样性或种群丰度存在显著相关性。除了直接影响作物对养分的吸收外,根际微生物还可能通过提高土壤酶活性、直接或间接地调控作物根系中不同植物激素含量和土壤VOCs的产生与释放来影响作物生长。但是由于作物根际环境十分复杂,各种作用途径的相互关系及分子机理还有待深入研究。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 英文缩略表
• 第一章 引言
•   1.1 根际微生物-植物互作与农业可持续发展
•   1.2 根际微生物群落对作物生长的影响及作用机制
•     1.2.1 根际微生物群落影响作物的营养状况
•     1.2.2 根际微生物群落能增强作物对非生物胁迫的抗性
•     1.2.3 根际微生物群落能增强作物对生物胁迫的抗性
•   1.3 根际微生物-植物互作涉及广泛的信号传导
•   1.4 挥发性有机物对作物生长的影响及作用机制
•     1.4.1 促进植物生长发育
•     1.4.2 诱导植物系统抗性的产生
•     1.4.3 抑制植物病虫害
•   1.5 根际土壤中挥发性有机物的产生与释放
•   1.6 研究目的、意义和内容
•   1.7 技术路线
• 第二章 材料与方法
•   2.1 供试材料
•     2.1.1 供试土壤
•     2.1.2 供试植物
•   2.2 试验设计与实施
•     2.2.1 试验一
•     2.2.2 试验二
•   2.3 样品采集与处理
•   2.4 测试方法
•     2.4.1 土壤和植物基本理化性质的测定
•     2.4.2 土壤酶活性的测定
•     2.4.3 土壤挥发性有机物的测定
•     2.4.4 植物激素的测定
•     2.4.5 基因组DNA提取与检测
•     2.4.6 实时荧光定量PCR（qPCR）
•     2.4.7 Hiseq2500 高通量测序
•   2.5 数据分析
• 第三章 不同土壤中玉米根际挥发性有机物组成和微生物群落特征比较
•   3.1 结果与分析
•     3.1.1 玉米根际土壤酸碱度与速效养分
•     3.1.2 玉米根际土壤挥发性有机物
•     3.1.3 玉米根际细菌和真菌种群数量及多样性
•     3.1.4 玉米根际细菌和真菌群落结构
•     3.1.5 玉米根际VOCs与土壤理化性质和微生物群落的相关性
•   3.2 讨论
•   3.3 小结
• 第四章 改变土壤微生物群落对作物生长的影响
•   4.1 结果与分析
•     4.1.1 根际土壤酸碱度与有效养分
•     4.1.2 根际土壤酶活性
•     4.1.3 根际土壤挥发性有机物
•     4.1.4 初始土、根际土和根系中的细菌与真菌丰度
•     4.1.5 初始土、根际土和根系中的细菌与真菌丰富度及多样性
•     4.1.6 初始土、根际土和根系中的细菌与真菌群落结构
•     4.1.7 玉米生长及养分积累
•     4.1.8 玉米根部植物激素含量
•     4.1.9 根际微生物群落多样性和种群丰度对作物生长及养分积累的影响
•     4.1.10 根际微生物群落多样性及种群丰度对土壤酶活性的影响
•     4.1.11 根际微生物群落多样性及种群丰度对玉米根系植物激素的影响
•     4.1.12 根际微生物群落多样性及种群丰度对挥发性有机物的影响
•     4.1.13 土壤酶活性、植物激素、挥发性有机物对玉米生长的影响
•   4.2 讨论
•   4.3 小结
• 第五章 全文结论与展望
•   5.1 全文结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简历

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李艳玲

导师: 范分良

关键词: 根际微生物群落,挥发性有机物,作物生长,固相微萃取气质联用技术,高通量测序

来源: 中国农业科学院

年度: 2019

分类: 基础科学,农业科技

专业: 生物学,农业基础科学,农艺学

单位: 中国农业科学院

分类号: S154.3

总页数: 76

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