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微生物在自然界的物质循环、能量流动和信息传递中发挥着重要作用。土壤微生物通过与植物的地下部分直接或者间接相互作用影响植物的生长发育和健康状况,同时植物根系通过根系分泌物和边缘细胞代谢活动影响土壤微生物群落结构。土壤微生物和植物根系相互作用主要集中在根际。植物根际微生物群落结构是土壤环境和植物根系代谢活动共同作用的结果。棉花是重要的经济作物,我国主要的产棉区多为棉花连作的耕作模式,这种耕作模式使棉田土中微生物群落结构受到严重影响,土传病频发,严重影响棉花产量。土传性病原真菌是棉花的主要致病菌,但是我们对棉花不同发育时期根际土壤中微生物群落结构动态变化特别是这些致病菌的动态变化及影响因素了解非常有限。充分了解棉花根际微生物的群落结构及调节机制,可以通过调整棉花根部环境定向调控根际微生物群落,从而达到抑制土传病菌的定殖降低棉花土传病的发病率,促进棉花生长发育,提高棉花产量的目的。围绕上述目的,本论文从植物根际微生物群落结构和植物根系代谢活动两方面入手展开如下两个部分的研究:一、以陆地棉(Gossypium hirsutum)品种TM-1和海岛棉(G.barbadense)品种Hai7124为材料,利用高通量测序技术对两种不同土壤环境中TM-1和Hai7124在三个不同发育时期根际细菌和真菌群落结构变化进行研究,结果如下:1、棉花根际细菌群落中的主导菌门为变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、浮霉菌门(Planctomycetes)、放线菌门(Actinobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)这六大菌门,其中变形菌门的相对丰度远高于其他菌门。除此之外,变形菌门、浮霉菌门、厚壁菌门(Firmicutes)、酸杆菌门、蓝藻门(Cyanobacteria)五大菌门受棉花根系影响丰度变化较大。在不同土壤类型中棉花根系对土壤微生物的作用效果不同,相比于非根际土,营养土中的根际细菌α-多样性降低,而多年棉花连作的大田土(以下简称大田土)中根际土与非根际土相比,细菌的α-多样性升高;营养土样品间的β-多样性高于大田土各样品间的β-多样性。棉花不同发育时期的根际细菌群落结构存在显著差异,营养土中两个品种和大田土中的海岛棉品种在蕾期的α-多样性都高于其他两个时期,并且每个发育时期都有其特异性的菌目,苗期为黄单胞菌目(Xanthomonadales),蕾期为立克次体目(Rickettsiales)、丰佑菌目(Opitutales)、假单胞菌目(Pseudomonadales),花期为Solibacterales。影响棉花根际微生物群落结构的要素中,土壤类型对棉花根际微生物的影响最大,约为54.03%,明显高于其它两个因子(发育时期19.23%,基因型12.39%)。2、两种土壤中的主导真菌菌门都是子囊菌门(Ascomycota),担子菌门(Basidiomycota)和接合菌门(Zygomycota)。受棉花根系影响最大的真菌菌群主要分布在担子菌门。不同类型土壤中,棉花根际真菌群落结构存在显著差异,说明土壤因素是决定根际真菌群落的关键因素。对未种植棉花的营养土和大田土真菌群落α-多样性分析结果表明,营养土中真菌α-多样性显著高于大田土。但是对棉花根际真菌群落多样性分析表明,营养土中根际真菌群落α-多样性低于大田土中根际真菌群落α-多样性。并且各致病菌相关菌属如轮枝孢属(Verticillium)、链格孢属(Alternaria)和溶磷相关菌属青霉菌属(Penicillium)的相对丰度在大田土根际土高于非根际土,而在营养土根际土中低于非根际土。棉花生长发育时期是影响根际真菌群落结构的另一个重要因素,每个发育时期都有其特异性的优势菌属。此外致病菌存在发育时期特异性,大田土中丝核菌属(Rhizoctonia)、链格孢属在苗期,亡革菌属(Thanatephorus)、轮枝孢属、赤霉菌属(Gibberella)、镰刀菌属(Fusarium)在蕾期根际丰度显著增加。而在营养土中,丝核菌属在蕾期,赤霉菌属在花期根际丰度显著增加。推测这些菌属相关的土传性病害在相应的时期侵染几率就会较高。对不同条件下棉花根际微生物群落结构变化的研究揭示了棉花根际细菌和真菌群落组成及其动态变化规律,棉花根际微生物群落结构主要由土壤决定,并且受棉花根系本身的选择压力影响。我们的研究结果为进一步研究通过人为调节土壤微生物的群落结构促进棉花的生长和发育,提高棉花甚至是其它易受土传病影响的作物的防御能力减少棉花土传病的发病率,提高棉花产量奠定基础。二、对棉花根边缘细胞(BC)特性进行研究,并研究分析棉花根尖(RT)和BC在正常和胁迫条件下的基因表达情况。实验结果如下:1、对不同品种的棉花根边缘细胞的数量和大小进行统计,发现棉花根边缘细胞的数量在不同品种中存在较大的差异,且棉花跟边缘细胞的数量和大小与其品种特性没有显著的相关性。2、棉花根边缘细胞和根尖细胞的转录组存在显著差异。与根尖细胞相比,棉花根边缘细胞的次生代谢水平较高,与胁迫响应相关的基因表达量维持在较高的水平;而根尖细胞与边缘细胞相比,表达量较高的差异基因大都与植物的生长、细胞分裂和伸长等相关的激素有关。推测根边缘细胞和根尖细胞的这种转录组差异与边缘细胞的防御功能有关。3、不同胁迫条件下BC对RT的保护机制存在差异。边缘细胞通过提高谷胱甘肽代谢、次生代谢物的合成、柠檬烯蒎烯降解、类倍半萜烯和三萜烯化合物的生物合成、苯丙类物质的合成和代谢、糖类的合成和代谢、甘油酯和丁醛酸甲酯等脂类物质的代谢、类胡萝卜素的生物合成、乙醛酸和二羧酸代谢响应盐胁迫,通过提高次生代谢物的合成、谷胱甘肽代谢、柠檬烯和蒎烯降解芪类化合物二芳基庚烷和姜辣素的生物合成、黄酮类物质的合成、类胡萝卜素的生物合成、苯丙类物质的生物合成响应致病菌胁迫。对棉花根尖和边缘细胞转录组的研究揭示了棉花根尖和边缘细胞之间的代谢差异及胁迫响应差异。对棉花根尖和边缘细胞在不同胁迫条件下的转录组分析为研究根系分泌物及边缘细胞对棉花根际微生物的影响奠定了基础。本文主要创新点:1、本研究首次利用高通量测序技术对棉花根际微生物群落结构进行研究,并对棉花根际微生物群落的影响因素及各影响因素对群落结构变化的影响进行系统的研究。预测了不同发育时期的易感染的致病菌,对农业生产上土传病害的预防有潜在的应用价值。2、本研究首次从转录水平上对棉花根尖和根边缘细胞的差异进行研究。对棉花根尖和边缘细胞在正常和胁迫条件下的转录组差异进行分析。研究边缘细胞对根尖的保护作用机制及根尖和边缘细胞对生物和非生物胁迫的响应机制。3、建立了一套较完整的棉花根边缘细胞培养和收集体系。本体系可以进行棉花根边缘细胞的培养、生物和非生物胁迫处理、边缘细胞的收集。基于该体系得到的实验结果成本低、可控性高、处理环境持久稳定、结果可重复性较高,为以后的研究奠定了基础。