生物炭调控尖孢镰刀菌缓解苹果连作障碍的机理研究

Apple replant disease (ARD), is a major factor that restricted the sustainable development of apple industry. ARD mainly caused by harmful fungus, such as Fusarium oxysporum. Recently, we found that the application of biochar to replant soil can depress Fusarium oxysporum and promote plant growth. However the internal mechanism remains unclear. This project will investigate the effect of biochar on the harmful fungus under apple replant condition, and clear the mechanism of biochar alleviate ARD from microbial aspects. 1) In order to research the effects of biochar on the fungal diversity, community structure characteristics, we’ll sequence the Fusarium fungal ITS1 regions by Illumina high-throughput sequencing technology on Miseq platform, and detect the Fusarium oxysporum gene expression quantity by real-time PCR; 2) Detect the effect of biochar on the morphological structure and living cells morphology of Fusarium oxysporum, and definite the migration, retention and survive of Fusarium oxysporum by the silicon carbide quantum dot; 3) Effect of biochar on the Fusarium oxysporum infection ability to apple seedlings roots will be study under confocal laser scanning microscope using green fluorescent protein marker Fusarium oxysporum. This will provide the theoretical support for the renewal of old orchard and the prevention and control of ARD.

连作障碍是制约苹果产业可持续发展的瓶颈之一，尖孢镰刀菌是引起苹果连作障碍的重要病原菌。前期研究发现生物炭可明显减少苹果连作土壤中尖孢镰刀菌数量，提高苹果幼苗的生物量，减轻苹果连作障碍，但生物炭调控尖孢镰刀菌减轻苹果连作障碍的机理尚不明确。本项目拟于室内和盆栽条件下：1）利用高通量测序和荧光定量qRT-PCR等分子生物学手段研究生物炭对苹果连作土壤中镰刀菌多样性、群落结构特征以及尖孢镰刀菌基因表达量的影响；2）利用碳化硅标记尖孢镰刀菌，探索生物炭介导下尖孢镰刀菌的形态结构和活体细胞形貌，进而明确生物炭对尖孢镰刀菌生长和存活状况的影响；3）利用绿色荧光蛋白标记尖孢镰刀菌，在激光共聚焦扫描显微镜下研究生物炭对尖孢镰刀菌侵染苹果幼苗根系能力的影响，明确生物炭对镰刀菌孢子致病能力的调控作用。预期研究有望探明生物炭减轻苹果连作障碍的机理，为果园更新及其连作障碍防控提供理论指导。

连作障碍是指连续在同一区域种植同种作物或者近缘作物而引起的作物生长发育异常的现象。酚酸类物质（主要是根皮苷）及镰刀菌等微生物是造成苹果连作障碍的重要原因。为了缓解连作问题对果园带来的影响，选择使用生物炭研究其吸附连作土壤中根皮苷、改善土壤微生物群落及减少引起连作障碍的镰刀菌的效果，室内及盆栽应用结果发现：300 °C热解得到的生物炭（BC300）具有更多官能团以及更稳定的结构，并且在生物炭以6 g·L-1的浓度吸附24 h时对根皮苷达到最佳的去除率，为70.50%；盆栽试验中发现根皮苷或者尖孢镰刀菌处理均显著抑制幼苗生长，BC300通过吸附根皮苷缓解这种抑制，并能促进幼苗的生长发育。运用高通量测序技术对土壤微生物进行测定，发现与对照相比，添加生物炭可以改变根皮苷胁迫及连作土壤的真菌群落结构，使土壤真菌OUT特有数目增加；通过PCoA 分析以及UPGMA 聚类分析得出，添加生物炭后土壤真菌群落结构及多样性与对照土壤的差异显著；添加生物炭对不同物种水平上的土壤真菌结构和功能产生一定影响，使土壤优势菌丰度变化较大。利用荧光定量qRT-PCR检测发现，添加生物炭的处理，明显降低土壤中镰刀菌数量，使得土壤微生物的丰富度和多样性明显提升，不同烧制温度对生物炭存在影响，随着烧制温度的升高，生物炭中有机碳的含量下降，孔隙变大，生物炭多孔且表面积大的特性减弱，为微生物提供的营养物质以及栖息地减少，这也是BC300效果最佳的原因。碳化硅量子点及绿色荧光蛋白标记尖孢镰刀菌，发现镰刀菌在有根皮苷存在的环境中快速生长、分裂；盆栽试验中，生物炭的添加明显改善有尖孢镰刀菌环境中苹果幼苗的生长发育，并改善了土壤微生物群落环境。本研究为开发绿色、高效、经济的缓解连作障碍技术提供了理论依据和技术支持。