豆科植物-微生物共生体系改良中重度滨海盐渍土机理与模式研究

The saline soil area of the Yellow River Delta is about 440 thousand hectares, of which moderate and severe saline soil (salt content above 0.3%) account for more than 50%. Protection and utilization of them are always the focus and difficulty. Microbes play an important role in the improvement of saline alkali land. Owing to the ability of symbiotic nitrogen fixation with leguminous plants, rhizobia are considered more useful in bioremediation of coastal. Our previous study found that total 16 legumes were distributed in coastal area of Shandong province. Among them, Sesbania cannabina and Glycine soja exhibited great advantages and potential with high abilities of nodulation, biomass and salt tolerance. Therefore, we choose S. cannabina and G. soja as model plants in this study. Based on fine analysis of the structure and function of the rhizosphere microbiome, two symbiotic systems, S. cannabina – rhizobia - mycorrhizal fungi and G. soja - rhizobia – PGPR, will be constructed firstly. Then, combined with biology, physiology, biochemistry, molecular biology and omics technology, mechanisms of microbes to improve salt tolerance of plant will be investigated, and the process, mechanism and regulation principle of saline soil improvement will be explored. Finally, a technical mode of using microorganism to improve coastal saline soil was expected to be integrated. This research will enrich the theory and technology practice of saline soil improvement with microbes.

黄河三角洲盐渍土面积达44万公顷，中重度盐碱地占50%以上，是保护利用的重点和难点。微生物在盐碱地改良中发挥着重要作用，特别是能够与豆科植物共生固氮的根瘤菌尤其适合改良氮素缺乏的滨海盐渍土。申请者前期研究发现，山东滨海滩涂分布16种豆科植物，其中田菁和野大豆表现出较高的结瘤量、生物量和耐盐性，具有改良盐碱地的优势和潜力。因此，本项目选择田菁和野大豆（高耐盐碱材料NJ27）为供试植物，在精细解析植物根际微生物群落结构和功能的基础上，分别构建具有黄河三角洲区域特色的、以根际核心微生物组为指导的“田菁-根瘤菌-菌根菌”和“野大豆-根瘤菌-PGPR”共生体系，并结合生物学、生理生化、分子生物学和组学技术，多层面解析微生物增强植物抗盐能力机理，阐明植物-微生物共生体系改良滨海盐渍土的过程、机制与调控原理，集成微生物改良滨海盐渍土技术模式，丰富微生物改良盐碱地理论和技术实践。

土壤盐渍化严重影响植物的生长，已成为制约农业生产的主要因素之一。黄河三角洲的盐渍土分布面积广、土壤有机质和氮素含量普遍较低，对其改良利用对我国粮食安全以及当地发展和生态保护具有重要意义。针对这一问题，本项目研究了豆科植物根际微生物群落结构和功能，以核心微生物组为指导筛选了耐盐微生物资源，构建了豆科植物-微生物共生体系改良盐渍土模式并解析了其作用机制。主要结果如下：盐渍土中豆科植物微生物群落从大田土到根内呈现层级过滤效应，并富集了大量与植物促生和离子浓度调控有关的微生物基因，表明豆科植物能够从土壤中选择具有特定功能的微生物来装配自身微生物组。剑菌属（Ensifer）在豆科植物具有较高的丰度，被鉴定为豆科植物的核心微生物；通过宏基因组数据分箱技术（binning）获得了3个剑菌属基因组，它们均含有固氮基因、ACC脱氨酶等植物促生相关基因，体现了核心微生物在植物促生和耐盐方面的潜在作用。从野大豆和田菁植株的根瘤、根系和根际土等样品中共分离获得1200株细菌，构建了构建豆科植物-根瘤菌共生体系，发现共生体系明显提高了野大豆、田菁和大豆叶片抗氧化酶活性、脯氨酸含量和盐胁迫应答基因表达量，增强了植株的抗逆性。在田间试验中，野大豆与多种耐盐植物混播并采用人工设施进行种植，形成了系统的野大豆田间栽培模式，该模式下野大豆每年可吸收可溶性盐264.57kg/ha，并将Na+主要储存于根部，表明野大豆修复盐渍土的优良潜力。3年的田间定位实验发现，豆科植物-微生物共生体系降低了土壤电导率，增加土壤总碳、总氮和硝态氮含量，并且改变了土壤微生物群落，富集了大量固氮菌，尤其是自生固氮菌Azotobacter chroococcum。以上结果有助于深入理解豆科植物与根际微生物的互作机制，对于实现滨海盐渍土绿色、多元和高效开发具有重要指导意义。