酸性土壤中大豆根际可培养优势根瘤菌的群体感应及其介导的固氮效应解析

Nitrogen (N)-fixation by rhizobia is one of the key factors for affecting the growth of leguminous crops, and quorum sensing (QS) of rhizobia plays important roles in this process. Up to now, it remains unclear about the quorum sensing of predominant rhizobia and their mediated N-fixation efficiency in the rhizosphere soil of soybeans under aluminum (Al) stress in acidic soil. In this project, Al-tolerant and Al-sensitive soybean genotypes were used as materials to isolate and identify the predominant rhizobia in the rhizosphere soil of the soybeans, to analyze the QS and QS signal components, to analyze soybean nodulation and N-fixation efficiency mediated by rhizobia, and to reveal the multiple index of the growth of two soybean genotypes, with the applications of metagenomics deep-sequencing, C18 reversed-phase thin-layer chromatography analysis, GC-MS, nodulation and N-fixation efficiency analysis, and real-time PCR, etc. Based on these results, we aim to clarify the difference of the QS and the molecular mechanism of QS-mediated N-fixation of the two soybean genotypes. The completion of this project will provide theoretical foundation for deeply understanding the QS and the molecular mechanism of QS-regulated N-fixation under Al stress, and it is also expected to provide new ideas and methods to improve the leguminous crop production in the acidic soils.

根瘤菌的固氮效应是影响豆科作物生长的关键因素之一，而根瘤菌的群体感应(QS)则在该过程中发挥着极其重要的作用。目前，关于酸性土壤中铝胁迫条件下大豆根际可培养优势根瘤菌的QS及其介导的固氮效应还知之甚少。本研究拟以耐铝及铝敏感大豆为材料，采用宏基因组深度测序、C18反相薄层层析分析、GC-MS分析、结瘤及固氮效应分析、real-time PCR分析等策略，通过分离和鉴定耐铝及铝敏感大豆根际可培养优势根瘤菌、可培养优势根瘤菌的QS现象及其信号分子组成分析、QS所介导的大豆结瘤及固氮效应分析、大豆生长发育的多元指数特征分析等，阐明酸性土壤中铝胁迫条件下耐铝及铝敏感大豆的优势可培养根瘤菌及其QS差异以及介导的大豆固氮效应分子机制。本项目的完成将为深入理解酸性土壤中铝胁迫条件下大豆优势根瘤菌的QS现象及其调控的固氮效应分子机制奠定理论基础，并有望为酸性土壤上提高豆科作物的产量提供新思路和新方法。

酸性土壤是我国南方地区的典型土壤类型，其酸铝毒害问题严峻，是作物产量和品质的主要限制因子。豆科植物（如大豆）因其高效的固氮能力已成为改良酸性土壤肥力状况的“先锋作物”。研究表明，微生物的群体感应（Quorum sensing，QS）在其功能的发挥过程中起着关键的调控作用。因此，探讨酸性土壤中大豆的优势可培养根瘤菌的QS及其介导的固氮效应分子机制，将为深入理解酸性土壤中铝胁迫条件下大豆优势根瘤菌的QS现象及其调控的固氮效应分子机制奠定理论基础，并有望为酸性土壤上提高豆科作物的产量提供新思路和新方法。在本项目中，我们主要采用人为可控实验环境条件下的盆栽实验与实验室模拟相结合的方式，以南方地区典型的酸性土壤为生长介质，选用典型豆科植物-大豆，并采用耐铝（BX10）和铝敏感（BD2）两种基因型为实验材料，具体研究了（1）以16S rDNA为依据，分析了酸性土壤中耐铝及铝敏感大豆根际原核微生物群落组成与结构差异；（2）酸性土壤中添加群体感应干扰剂后对大豆根际微生物与固氮作用的影响； （3）分离、鉴定了酸性土壤中耐铝及铝敏感大豆优势根瘤菌；（4）探讨了优势根瘤菌的回接致瘤效应及群体感应特征；（5）进行了代表性优势根瘤菌株的de novo 全基因组测序分析。主要结果表明，与铝敏感大豆品种BD2相比，耐铝大豆品种BX10的不同部位根际土中的原核微生物群落组成、结构有显著差异；群体感应干扰剂对不同大豆品种的微生物群落均产生了一定的影响，大豆基因型是对根际微生物群落结构影响的次要因素，而群体感应干扰剂处理则是主要因素；添加群体感应干扰剂后两个大豆品种的固氮结瘤现象也受到了很大的影响，其中耐铝品种BX10受影响更大，处理后根瘤数显著减少，根瘤也普遍变小；从耐铝的大豆品种BX10和铝敏感大豆BD2根系的根瘤中各分离纯化出有3个菌株， 其中5株根瘤菌回接大豆能够结瘤，并分析了其生理、生化和群体感应特征，其中菌株R. BX-1 和R. BD-1分别与根瘤菌中华根瘤菌和中慢生根瘤菌最为相似。目前已发表标注资助号(31372140)的SCI论文5篇，申请国家发明专利1项。培养3名博士研究生和4名硕士研究生。