红壤中的放线菌与其他微生物的相互作用研究

As the most prolific secondary metabolite producers, actinobacteria are widely distributed in a variety of habitats, especially in soil. But the ecological functions of actinobateria and their natural products in the natural habitats are poorly known. Red soils, one of the important typical arable soils in tropical and subtropical regions of southern China, are characterized by low organic carbon, high content of iron oxides, and acidity and, hence, are likely to be ideal habitats for acidophilic and acidotolerant actinobacteria. In our previous studies, we found that red soil actinobacteria might impose antagonistic effects on their fungal neighbors through the production of polyether ionophores, siderophores, and chitinases, and that actinobacteria formed more co-exclusion than co-occurrence relationships with other bacteria. In this study, we will use a combination of techniques of ecology, systematics, natural products chemistry and molecular biology, to unravel the interaction relationships between actinobacteria and other microbial groups in both natural red soils and cultivated red soils. We will further reveal the substances that mediate the interactions and the molecular mechanisms involved, and clarify the meaning of the existence of actinobacteria in the red soil for other microorganisms as well as the contribution to the microbial community structure. At the same time, we will establish a new workflow for the research on interactions among actinobacteria and other microbes, and reveal the ecological functions of specific actinobacterial natural products. The results of this study will not only shed new insights on actinobacterial ecology and biodiversity, but also provide theoretical support for land use and management in the red soil regions.

放线菌是产生生物活性物质的重要微生物类群，广泛分布于多种生境，尤其是土壤。目前，对放线菌及其产生的天然产物在自然环境中的生态功能还知之甚少。我国南方分布着大面积的红壤，为酸性可耕种土壤，是嗜酸和耐酸放线菌的适宜栖息地。我们在前期的研究中发现，红壤放线菌可能主要通过产生聚醚类抗生素、铁离子载体以及几丁质酶来共同拮抗环境中的真菌，红壤放线菌与其它原核生物类群间主要呈负关联。本项目将综合运用生态学、系统学、天然产物化学和分子生物学技术，解析耕种和非耕种型红壤中放线菌与其他代表性微生物类群之间的互作关系，揭示产生互作的介质和分子机理，阐明红壤中放线菌的存在对其他微生物的意义，以及对微生物群落结构的贡献。同时，建立放线菌与其他微生物互作研究的新流程，揭示特定放线菌天然产物的生态功能。为放线菌生态学和生物多样性研究提供新的认识，也为红壤区土地利用和管理提供理论支持。

自然界的微生物会形成复杂的相互作用网络，放线菌能够产生多种次级代谢产物，从而影响其他生物的生存或行为。虽然在过去几十年中我们对放线菌的生态作用的理解有了很大提高，但仍缺乏对放线菌与其他微生物相互作用的系统性认识。本项目研究了红壤来源的放线菌同其他微生物（细菌和真菌）之间的相互作用，并尝试解析相关机制。.我们从20个江西红壤样品中分离出放线菌441株、细菌435株、真菌181株，这些分离菌株显示出较高的多样性和新颖性。从中选择73株放线菌、59株细菌、42株真菌用于互作实验。.在富营养和寡营养两种互作条件下，放线菌与其他微生物的互作以中性效应为主，中性效应平均占总互作对数的77.15%。在富营养条件下放线菌对其他微生物的竞争互作比例比寡营养条件下的更高，特别是干扰型竞争。对于放线菌来说，无论在富营养还是寡营养条件下，Streptomyces属菌株的竞争能力要显著强于稀有放线菌菌株。对于其他微生物来说，两种营养条件下其与放线菌的互作关系与它们的系统发育学关系相关，而与它们的地理位置无关。在富营养条件下，同域菌株间的竞争互作比例要显著高于异域菌株之间，而在寡营养条件下同域和异域互作对之间无明显比例上的差别。.营养的丰富度影响了放线菌与其他微生物的互作关系。富营养条件下的放线菌次级代谢能力要远远强于寡营养条件下的，会产生更多具有抗生作用的产物。此外，放线菌产生的铁载体也在放线菌与其他微生物的干扰型竞争中发挥了作用。在Streptomyces sp. FXJ1.4098和Mesorhizobium sp. BAC0120的互作对中，S. sp. FXJ1.4098对M. sp. BAC0120产生远处抑制而近处促进（无抑制）的现象。这种抑制是由S. sp. FXJ1.4098产生的铁载体desferrioxamine E所营造的缺铁环境引起的，但近处促进的原因仍需进一步研究。本项目的结果揭示了红壤中放线菌与其他微生物共存的机制，提示中立性是维持红壤微生物多样性的关键机制；同时也凸显了红壤放线菌的生态学意义，为红壤中如何施肥和栽培来抑制土壤传播的病害提供了参考。