强还原土壤消毒防控土传病害效果及其微生物学机制研究

论文摘要

强还原土壤消毒（Reductive Soil Disinfestation,RSD）,即向土壤中添加大量易降解有机碳源、灌溉至最大田间持水量、覆盖塑料薄膜的作物种植前土壤处理,不仅可以快速杀灭土传病原菌,改善土壤微生物区系,还能有效修复退化土壤的理化性状。RSD处理可选择的有机物料种类众多,但有机碳源种类及其特征与RSD处理杀菌效果间的关系尚不明确。已有研究发现,RSD处理后土壤回接病原菌仍可抑制土传病害和维持作物健康状态,但是,对于RSD除杀灭病原菌之外的其他生物和非生物抑病机制仍不明了。在作物种植过程,伴随作物释放根系分泌物和环境变化的影响,经RSD调控的病原微生物和微生物区系又将如何演替及其驱动因素也有待深入研究。本文基于实时荧光定量PCR和Miseq扩增子测序等技术,1)通过室内培养试验,探讨添加不同种类的有机物料对RSD处理杀菌效果的影响及其作用机理;2)对病土和RSD调控土壤进行热处理灭菌后,采用病原菌和微生物区系自我/交互回接方法,研究经RSD调控的生物和非生物因素中抑制土传病害的关键因子及其驱动因素;3)采用盆栽-田间试验相结合的方法,研究经RSD调控的微生物区系和病原菌在不同作物类型（易感病和非易感病）栽培后的演替规律和驱动机制,并采用盆栽试验对此进行验证。主要研究结果如下:室内培养试验表明,添加不同种类有机碳源的RSD处理均能够显著改变细菌群落多样性和降低尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）的数量,但它们间的杀菌效果也存在显著差异,如添加纤维素RSD处理的杀菌效果仅为30.6%,显著低于添加甘蔗渣（72.3%）和葡萄糖（85.8%）的RSD处理。有机碳源中的易氧化有机碳（Easialy oxidized organic carbon,EOC）和总氮（Total nitrogen,TN）与杀菌效果呈显著正相关,C/N与杀菌效果呈显著负相关,表明RSD处理时添加较高EOC或者较低C/N的有机物料,能够获得更好的杀菌效果。采用自我/交互接种方法,研究了 RSD处理通过改变土壤生物和非生物因素对抑制土传病害的作用。研究表明,RSD处理后的土壤和未经RSD处理的带病土壤（病土）经热处理灭菌,然后微生物群落自我/交互接种,微生物群落差异进一步扩大,但相较于各自初始土壤,土壤理化性质并未显著改变。RSD处理后再热处理灭菌并接种立枯丝核菌（Rhizoctonia solani Kuhn）土壤的黄瓜苗发病率（83.3%）显著高于其它RSD处理未接种R.solani土壤的发病率（0.0%～6.7%）,表明土壤生物因素的改善能直接作用于土传病害防控。病土和RSD处理经热处理灭菌后自我/交互回接微生物区系土壤中的R.solani数量大致相当（4.40 ×105～1.88 X 106copies/g）,但黄瓜发病率具有显著差异,表明病原菌丰度的降低并非抑制土传病害的唯一决定性因素,土壤非生物因素也发挥了重要作用。分析表明,土壤环境和接种微生物区系分别是细菌和真菌群落重组的主要决定性因素,土壤环境因素对细菌和真菌群落重组的贡献率分别为36.8%和8.0%,接种微生物区系对细菌和真菌群落重组的贡献率分别为24.3%和48.7%。细菌Sphingobacterium、UCSphingobacteriaceae 和真菌 Zopfiella、UCChaetomiaceae、UCLasiosphaeriaceae的相对丰度均与发病率呈显著负相关,与pH及有机碳含量呈显著正相关,而高土壤pH及有机碳含量正是RSD处理后土壤的特征,表明这些潜在的抑病因子依赖于RSD所构建的土壤环境。验证试验进一步表明,病土中仅添加抑病菌株-柄孢壳属（Zopfiella）不能有效地抑制土传病害,而同时添加Zopfiella和有机碳源的处理发病率显著下降,且添加Zopfiella浓度越高,发病率越低。通过盆栽和田间试验,研究了经RSD处理的土壤,种植易感病和非易感病作物后作物的发病率、土传病原菌及土壤微生物区系的变化。盆栽试验结果表明,RSD对F.oxysporum的杀灭效果达到99.22%,且显著改变了土壤微生物区系。种植易感病作物（西瓜）后,RSD处理和对照土壤的F.oxysporum数量及微生物群落结构趋近一致,且RSD处理后土壤的西瓜枯萎病防控效果仅降低至对照土壤的42.42%。田间试验结果表明,RSD处理对F.oxysporum的杀灭效果达到99.45%,且显著改变了土壤微生物区系。种植非易感病作物（药芹和茄子）后,RSD处理土壤中的F.oxysporum数量仍然显著低于对照土壤95%以上。土壤细菌群落结构逐渐与对照土趋于一致,而真菌群落结构仍然与对照土差异显著。细菌群落差异与pH差异的相关性明显高于真菌群落差异与pH差异的相关性。因此,推测在作物生长过程中,RSD调控的土壤微生物区系的演变除了受作物类型（根系分泌物）影响外,可能还受作物感病状况以及土壤环境变化等因素的影响。盆栽验证试验结果表明,在生物和非生物环境完全不一致的水稻土壤和森林土壤种植药芹、西瓜和黄瓜后,作物根际聚集的微生物群落结构具有显著差异。土壤环境对细菌和真菌群落组成差异的贡献率分别为39.4%和24.5%,作物类型对细菌和真菌群落组成差异的贡献率分别为21.9%和17.2%,且作物类型与土壤环境的贡献比值在真菌群落中（70.2%）高于细菌群落（55.5%）。西瓜和黄瓜茎基部接种F.oxysporum对其根际整体微生物群落结构无显著影响,但较西瓜和黄瓜未接种F oxysporum相比,前者能够招募部分有益种群富集于根际。由此表明,接种F.oxysporum可能诱导作物改变根系分泌物组分,从而招募有益微生物富集于根际土壤,促进作物健康生长。综上所述,RSD处理时添加较高EOC或较低C/N的有机物料可获得更好的杀菌效果。除杀灭病原菌之外,RSD处理所构建的土壤环境适宜某些特定类群的抑病微生物定殖,对RSD的抑病效果起到贡献。RSD处理后栽培作物的过程中合理施肥利于维持土壤环境和RSD调控的有益微生物实现可持续定殖。土壤环境是细菌和真菌群落组成的决定性因素,其次为作物类型,可通过调控土壤理化环境和可利用的有机底物,优化微生物群落,从而促进作物健康生长。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第一章 绪论
•   1.1 连作障碍
•     1.1.1 土传病害
•     1.1.2 土壤环境退化
•     1.1.3 连作障碍防控现状
•   1.2 土壤微生物群落与土传病害的关系及其调控管理
•     1.2.1 土壤微生物群落概念
•     1.2.2 土壤微生物群落与土传病害的关系
•     1.2.3 土壤微生物群落与土壤环境的关系
•     1.2.4 土壤微生物群落的调控
•   1.3 土壤微生物群落研究方法
•     1.3.1 土壤总微生物群落的研究方法
•     1.3.2 土壤特定微生物类群或个体研究方法
•   1.4 强还原土壤消毒
•     1.4.1 强还原土壤消毒有机物料的选择
•     1.4.2 强还原土壤消毒对土传病原菌的杀灭机理
•     1.4.3 强还原土壤消毒对土壤酸化和盐渍化的改善机理
•     1.4.4 强还原土壤消毒对微生物群落的调控
•     1.4.5 强还原土壤消毒防控土传病害的研究和应用现状
•     1.4.6 强还原土壤消毒抑制土传病害的关键因子
•   1.5 研究切入点、研究意义、研究内容及技术路线
•     1.5.1 研究切入点和研究意义
•     1.5.2 研究内容
•     1.5.3 拟解决的关键科学问题
•     1.5.4 研究技术路线图
• 第二章 有机碳源种类对强还原土壤消毒杀菌效果的影响
•   2.1 前言
•   2.2 材料与方法
•     2.2.1 供试土壤和有机物料
•     2.2.2 试验设计
•     2.2.3 土壤和物料理化性质的测定
•     2.2.4 土壤DNA的提取和尖孢镰刀菌、细菌及真菌的定量
•     2.2.5 变性梯度凝胶电泳检测土壤细菌多样性
•     2.2.6 数据分析
•   2.3 结果与分析
•     2.3.1 土壤pH和电导率EC
•     2.3.2 土壤尖孢镰刀菌、细菌和真菌数量
•     2.3.3 细菌多样性变化
•     2.3.4 物料性质与微生物参数相关性分析
•   2.4 讨论
•   2.5 总结
• 第三章 强还原土壤消毒抑制土传病害的关键因子及其环境特征
•   3.1 前言
•   3.2 材料与方法
•     3.2.1 供试病土及其RSD处理
•     3.2.2 试验设计和黄瓜苗种植
•     3.2.3 土壤理化性质的测定
•     3.2.4 土壤微生物定量和扩增子测序
•     3.2.5 测序数据处理
•     3.2.6 Zopfiella. sp的抑病功能及环境特征验证
•     3.2.7 数据分析
•   3.3 结果与分析
•     3.3.1 R.solani数量和发病率
•     3.3.2 细菌真菌数量及其alpha多样性
•     3.3.3 微生物群落结构及其影响因素
•     3.3.4 土壤微生物群落组成
•     3.3.5 主要微生物类群、发病率和土壤环境因素的关系
•     3.3.6 Zopfiella.sp菌株抑病功能及环境特征验证
•   3.4 讨论
•   3.5 总结
• 第四章 易感病作物种植对强还原消毒后土壤病原菌和微生物群落的影响
•   4.1 前言
•   4.2 材料与方法
•     4.2.1 供试土壤和有机物料
•     4.2.2 试验设计和西瓜种植
•     4.2.3 土壤理化性质和微生物总活性的测定
•     4.2.4 微生物数量、MiSeq扩增子测序及数据分析
•   4.3 结果与分析
•     4.3.1 土壤pH和微生物活性的变化
•     4.3.2 微生物定量及西瓜发病指数与株高
•     4.3.3 微生物群落alpha多样性
•     4.3.4 土壤微生物群落结构和组成
•     4.3.5 土壤优势属和pH、F. oxysporum以及发病指数相关性
•   4.4 讨论
•   4.5 总结
• 第五章 田间连续种植非易感病作物对强还原土壤消毒调控微生物区系效果的影响
•   5.1 前言
•   5.2 材料与方法
•     5.2.1 供试大田、有机物料和作物
•     5.2.2 试验设计
•     5.2.3 土壤理化性质和微生物总活性的测定
•     5.2.4 微生物代谢活性和功能多样性
•     5.2.5 微生物数量和MiSeq扩增子测序
•     5.2.6 数据分析
•   5.3 结果与分析
•     5.3.1 细菌、真菌和F. oxysporum定量
•     5.3.2 微生物总活性和代谢活性
•     5.3.3 微生物群落alpha多样性和微生物功能多样性
•     5.3.4 土壤理化性质
•     5.3.5 微生物群落结构、底物利用形式与环境因素间的关系
•     5.3.6 土壤微生物群落组成
•   5.4 讨论
•   5.5 总结
• 第六章 土壤环境和作物类型对土壤微生物区系演替的影响
•   6.1 前言
•   6.2 材料与方法
•     6.2.1 供试土壤、作物及致病F.oxysporum的制备
•     6.2.2 试验设计和土样采集
•     6.2.3 土壤理化性质的测定
•     6.2.4 土壤微生物定量、扩增子和测序及数据处理
•     6.2.5 数据分析
•   6.3 结果与分析
•     6.3.1 土壤理化性质
•     6.3.2 细菌和真菌数量以及微生物活性
•     6.3.3 微生物群落alpha多样性
•     6.3.4 微生物群落结构及其影响因素
•     6.3.5 土壤环境对微生物群落组成的影响
•     6.3.6 作物类型对微生物群落组成的影响
•     6.3.7 病原菌接种对土壤微生物群落组成的影响
•   6.4 讨论
•   6.5 总结
• 第七章 全文总结
•   7.1 全文总结
•     7.1.1 有机物料特征与杀菌效果的关系
•     7.1.2 RSD处理抑制土传病害的关键因子
•     7.1.3 RSD调控的微生物区系在不同作物类型种植后的发展方向及驱动因素
•   7.2 本研究的创新点
•   7.3 本研究的不足与展望
•     7.3.1 本研究的不足
•     7.3.2 展望
• 参考文献
• 在读期间发表的学术论文及研究成果
• 附录
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 刘亮亮

导师: 蔡祖聪

关键词: 强还原土壤消毒,有机碳源,抑病因子,微生物区系,土传病害,土传病原菌,土壤环境,作物类型

来源: 南京师范大学

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,植物保护

单位: 南京师范大学

分类号: S154.3;S432

DOI: 10.27245/d.cnki.gnjsu.2019.000394

总页数: 153

文件大小: 11836K

下载量: 259