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根系分泌物类型决定根际微生物菌群结构和抑病功能

来源:admin    发布时间:2020-08-20   阅读数:134

作者:王震,南京农业大学硕士在读,研究资源调控根际微生物互作。

根系分泌物类型决定根际微生物菌群结构和抑病功能导读图


一、导读

植物根系分泌物是根际细菌重要的营养来源,尤其一些小分子物质在调控土壤微生物群落结构中起着至关重要的作用,这些物质还影响着土壤微生物群落功能。本实验室前期研究发现,番茄青枯菌的入侵导致番茄根系分泌物中酚类物质的增加,进而导致了根际微生物多样性降低。目前已有大量关于某些特定根系分泌物对根际微生物调控作用的研究,但对于根系分泌物中某一类型物质对根际微生物群落结构的影响尚不得知,对于土传病原菌的影响还有待研究。因此,作者通过利用不同类型的资源及其组合模拟根系分泌物,探究资源类型对番茄根际微生物群落的影响以及对土传病害的影响,以期通过改变根系分泌物组成定向调控根际微生物群落功能。


二、主要研究结果

01.不同类型资源预测土壤细菌群落丰度、多样性和组成

为了研究根系分泌物对土壤细菌群落影响,作者以化学纯品模拟根系分泌物组成(有机酸、糖类、氨基酸、酚酸),连续六周在种植番茄的盆栽中添加不同类型的资源。结果表明,大多数资源对总细菌丰度和群落多样性有较大的影响。与对照相比,添加16种资源组合、有机酸处理和氨基酸处理增加了土壤细菌丰度,但降低了土壤细菌群落的多样性(图1A和B)。糖类和酚酸对土壤细菌群落的丰度和多样性无明显影响。48种资源中有36种增加了土壤总细菌丰度,包括所有有机酸和氨基酸。5种糖和5种酚酸降低了土壤总细菌丰度;48种资源中的6种增加了土壤细菌群落多样性,而其他资源降低了土壤细菌群落多样性。PCoA分析表明,与对照相比,氨基酸和16种复合资源对土壤细菌群落的影响相似且相对最强,有机酸次之。相比之下,酚酸和糖类对土壤细菌群落组成的影响较小(图1C)。  

单一类型资源和16种资源组合对土壤细菌丰度影响

图1 A:单一类型资源和16种资源组合对土壤细菌丰度影响;单一类型资源和16种资源组合对细菌群落多样性影响;C:单一类型资源和16种资源组合对细菌群落组成的影响


总体而言,48种资源及组合主要影响变形杆菌、拟杆菌和放线菌的相对丰度(图2),每类型资源与特定的细菌物种具有正相关或负相关。如16种资源组合与变形菌门、厚壁菌门相关性最高(83.3%),酚酸与放线菌门相关性最高(48%),氨基酸、有机酸与拟杆菌门(55.6%)的比例较高。

图2 细菌种类与不同类型资源处理相关性

图2 细菌种类与不同类型资源处理相关性


02.添加资源对病原菌的影响

接着,作者探究了根系分泌物对根际青枯菌数量、发病率的影响。与对照相比,不同处理对病原菌数量影响不同,主要是由特定资源而非资源种类驱动的(图3A)。具体而言,4种糖类、2种氨基酸和1种酚酸明显降低了病原菌数量,其余37种资源增加了青枯菌数量。发病率与土壤细菌多样性有很强的负相关性,表明添加的资源只是对土壤细菌起到刺激或抑制作用,而非特异性地影响病原菌入侵。此外,与其他处理相比,氨基酸和16种资源组合青枯病的发病率显著增加(图3B)。5种糖、4种有机酸和3种酚酸在内的12种根系分泌物显著降低了青枯病的发病率。

单一类型资源、16种资源的混合物对病原菌丰度的影响

图3 A:单一类型资源、16种资源的混合物对病原菌丰度的影响;B:单一类型资源、16种资源的混合物对青枯病发病率的影响;C:细菌总量与青枯病发病率相关性


03.氮投入量是决定土壤细菌群落多样性和功能的关键因素

由于氨基酸是唯一的含氮资源且对微生物群落和番茄发病影响最大,所以作者分析了氮投入量对土壤细菌群落多样性和功能的影响。作者发现氮投入量与土壤细菌总丰度呈正相关(图4A),与土壤细菌群落多样性呈负相关(图4B)。氮投入量与青枯菌数量不存在显著相关性(图4C),但与发病率呈正相关(图4D)。

氮含量与细菌总丰度的相关性图

图4 A:氮含量与细菌总丰度的相关性;B:氮含量与细菌群落多样性相关性; C:氮含量与病原菌丰度相关性;D:氮含量与青枯病发病率的影响


04.细菌群落组成的变化可以帮助植物抵御青枯病

根据资源类别和氮投入量,作者构建了两个结构方程模型(图5)。作者发现有机酸和氨基酸处理虽提高了土壤细菌丰度,但降低了细菌群落多样性,氨基酸与发病率呈正相关(图5A)。此外,氮含量与土壤细菌群落多样性呈负相关,与土壤细菌丰度呈正相关,土壤中的高含量氮与青枯病发病率存在正相关关系(图5B),表明氮投入量越大,青枯病发病率越高。

资源类型(A)、氮含量(B)与细菌群落、病害抑制相关性结构方程模型

图5 资源类型(A)、氮含量(B)与细菌群落、病害抑制相关性结构方程模型



三、总结

综上,本研究发现来源于植物分泌的资源可以对土壤微生物的结构和功能产生深远的影响,氨基酸和有机酸对土壤细菌群落组成的影响大于糖和酚酸,特别是氮含量较高的资源可以降低微生物抵抗病原菌入侵的能力,增加土传病害的发生概率。本研究对施肥、作物种植以及耕作管理有一定的指导意义,可以考虑施用含氮较少的肥料来减少植物病害,或培育分泌特定类型根系分泌物的作物品种来增强其抗病能力,也可通过间套作调控土壤中根系分泌物组分,进而提高土壤的整体抑病能力。因此,本研究为调控土壤养分、资源类型来防控土传病害提供了新策略。




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