酚酸对红壤微生物群落影响及其与花生连作障碍关系

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:michael_jian
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花生(Arachis hypogaea L.)是我国重要的油料作物和经济作物。在我国亚热带红壤地区,花生连作现象严重、根腐病高发,导致产量和品质的降低。直到目前为止仍没有切实可行的措施实现大规模田间花生的增产、成功解决连作障碍问题。引起连作障碍的因素多而复杂,归根到底是土壤环境问题,尤其是土壤环境中微生物区系的改变。化感物质在连作土壤中累积和微生物区系失衡是花生连作障碍的两个重要特征。酚酸类物质是土壤中重要的化感物质,影响特异微生物的生长,势必会改变土壤微生物群落组成及其功能。目前尚不清楚酚酸与连作土壤微生物区系失衡之间的联系。本研究采用高通量测序和实时定量PCR技术研究了健康和发病花生根组织细菌和真菌群落组成的特征以及酚酸对土壤细菌和真菌群落组成的影响。进一步研究了酚酸对花生根腐镰刀菌致病能力的效应,并进行花生根际酚酸降解菌的分离与潜在功能分析。最后,测定了在连续施用猪粪有机肥条件下连作花生根际土壤中酚酸组成和典型微生物的丰度。本研究旨在探讨酚酸与花生连作障碍之间可能存在的关系,有助于加深对花生连作障碍发生机制的认识。主要研究结果如下:  (1)健康和发病花生根组织中细菌和真菌群落组成存在显著差异:在健康根组织中有益微生物慢生根瘤菌占优势地位,其相对丰度为99.95%,而在发病组织中以潜在致病微生物类群为主,其中雷尔氏菌相对丰度升高到98.00%,镰刀菌相对丰度从0.13%升高到4.39%,腐皮壳属仅出现在发病根组织,相对丰度达到2.06%;此外,具有潜在拮抗活性的微生物(如类芽孢杆菌属细菌)比例增多。雷尔氏菌和镰刀菌普遍存在于发病花生根组织中,鉴于本研究采样时并非青枯病高发期、也未观察到明显的青枯病的典型症状,推测镰刀菌是引起连作花生根腐病的主要致病微生物。  (2)添加外源苯甲酸(1.2μmol/g干土)后的前36h,土壤二氧化碳释放速率逐渐升高,而从土壤中回收的苯甲酸浓度逐渐降低,表明苯甲酸在土壤中极易被微生物利用。实时定量PCR结果表明苯甲酸(0.6和1.2μmol/g干土)能够显著提高土壤细菌和真菌的数量并降低细菌-真菌比。MiSeq高通量测序分析发现苯甲酸显著促进镰刀菌、生赤壳菌、木霉菌和伯克氏菌的生长,抑制绿僵菌的生长。利用伯克氏菌16S rRNA特异性片段构建克隆文库,结果表明苯甲酸处理能够改变伯克氏菌群组成。试验结果表明苯甲酸对土壤的效应体现在土壤微生物群落的变化,苯甲酸诱导的特异微生物如镰刀菌和伯克氏菌可能与连作条件下土传病害的发生有关。  (3)在低浓度(0.1mmol/L)苯甲酸/香草酸处理条件下,花生根腐镰刀菌菌丝的生长和孢子的萌发显著提高;而镰刀菌产孢能力随苯甲酸/香草酸处理浓度的升高逐渐增强。在高浓度苯甲酸/香草酸(0.6mmol/L)处理条件下,镰刀菌致病相关水解酶(淀粉酶、纤维素酶和蛋白酶)的活性显著升高。随着苯甲酸/香草酸浓度的升高,培养液中镰孢菌酸浓度与对照相比逐渐升高,苯甲酸处理分别升高32.5%和47.6%,香草酸处理分别升高27.1%和51.8%。结果表明一定浓度条件下苯甲酸和香草酸能够促进花生根腐镰刀菌的生长,提高其与致病相关水解酶活性和致病毒素的分泌,加速侵染。  (4)从花生根际土壤中分离得到24株酚酸降解细菌,基于16S rRNA测序分析发现,花生播种前对土壤进行酚酸预处理导致酚酸降解优势菌从节杆菌转变为稳定伯克氏菌-like菌株。节杆菌和稳定伯克氏菌-like菌株仅检测到邻苯二酚-1,2-双加氧酶的活性,前者酶活性并未明显高于后者。花生根腐镰刀菌ACCC36194的培养滤液显著抑制节杆菌的生长而并非稳定伯克氏菌-like菌株。此外,多株稳定伯克氏菌-like菌株的培养滤液显著抑制节杆菌的生长。节杆菌菌株产生长素水平高于稳定伯克氏菌-like菌株,但稳定伯克氏菌-like菌株同时具有产铁载体、溶磷活性,且对镰刀菌ACCC36194具有拮抗作用。结果表明酚酸能够改变花生根际可培养酚酸降解优势菌,微生物之间的相互作用可能是节杆菌数量降低的重要原因,增加连作土壤中酚酸代谢细菌类群的数量有助于防治镰刀菌引起的土传病害。  (5)与单施化肥相比,持续施用普通有机肥(OF)和生物有机肥(BOF,OF接种内生菌拟茎点霉B3)可有效控制连作花生土传病害发生,荚果产量提高23.8%和47.9%。施用有机肥处理显著提高了花生根际土壤对香豆酸和总酚酸的浓度,可能由于施用有机肥的花生生物量大、根系分泌作用增强,也可能来源于猪粪。连续施用OF和BOF均显著提高根际过氧化氢酶、脱氢酶和酚氧化酶活性,及花生根际细菌和真菌的数量,说明连续施用有机肥后连作花生根际微生物活性显著提升。荧光定量PCR进一步测定出连续施用OF和BOF显著增加了连作花生根际有益微生物种群的数量,其中放线菌增加0.9倍和1.6倍、假单胞菌增加10.9倍和13.1倍、伯克氏菌增加2.6倍和1.9倍、芽孢杆菌增加1.1倍和2.1倍;然而连续施用有机肥对连作花生根际主要致病微生物种群(如镰刀菌属和青枯雷尔氏菌)无明显影响。结果表明通过持续施用有机肥可有效提高连作花生根际土壤酶活性和有益微生物种群的数量,与土传病原菌竞争酚酸的利用,进而改善连作花生根际微生物环境,增强连作土壤抑病能力,以达到控制连作花生土传病害易发的目的。  综上所述,酚酸能改变土壤微生物群落组成,尤其促进镰刀菌和伯克氏菌的生长,并在体外试验中增强花生根腐镰刀菌致病能力,推测其可能参与连作花生萎蔫病的发生。连续施用有机肥(特别是含内生真菌拟茎点霉B3的生物肥)的土壤酚氧化酶活性升高,具有降解酚酸能力的植物促生菌数量增加,同土传致病微生物竞争酚酸的利用,控制连作花生土传病害的发生,表明提高具有降解酚酸功能的促生菌的数量可能是一种解决连作土壤土传病害高发的途径。
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