基于核糖体RNA高通量测序研究转Bt基因棉花对根际土壤微生物群落结构的影响

The rapid development of transgenic Bt cotton has raised concerns over the potential impacts of these crops on environment. The unpredicted and complex impacts of transgenic Bt cotton on soil ecosystem, especially microbial community structure, has become one of the hot research directions. In this study, using ribosomal RNA MiSeq sequencing and real-time PCR, we will evaluate the effect of transgenic Bt cotton on soil microbial community structure and population size under the condition of different microhabitats (taproot and lateral root), different varieties, different years, different growth stages and different soil types. Different response of species richness and abundance of dominant and rare taxa to transgenic Bt cottons will be analyzed, considering temporal and spatial variation of Bt protein released from transgenic Bt cotton, and different environmental factors. We will analyze the correlation between rhizosphere soil microbial community structure and environmental factors, using Pearson correlation and redundancy analysis (RDA) (or canonical correspondence analysis (CCA)), which provides more comprehensive understanding of the effect of transgenic Bt cotton on the microbial community structure, and provides more adequate data support to the soil ecological security assessment.

随着转Bt基因棉花的大规模种植，转Bt基因棉花对生态系统的影响受到高度重视，这其中一个重要研究领域即是对土壤生态系统特别是对土壤微生物群落结构的影响。在前期工作的基础上，本项目拟通过基于核糖体RNA的Illumina MiSeq高通量测序技术，结合荧光定量PCR技术，分析不同微生境（主根和侧根）、不同品种、不同年限、不同生长期和不同土壤类型的转Bt基因棉花对根际土壤细菌、真菌和古菌的群落结构组成和群体数量变化情况，研究群落内优势菌群和稀有菌群的多度和丰富度对转Bt基因棉花种植的响应规律，结合Bt蛋白在根系和根际土壤中表达的时空差异及不同环境因子变化情况，采用Pearson相关性和冗余分析（RDA）（或典范对应分析（CCA）），分析根际土壤微生物群落结构变化与环境因子的相关性，较全面、系统的了解转Bt基因棉花对根际土壤微生物群落结构的影响，为转Bt基因棉花的生物安全评价提供更充足的数据支持。

微生物群落不仅包括丰度较高的优势种，也包括丰度较低但具有较多种类的稀有种，微生物稀有种在重要元素的生物地球化学循环中发挥关键驱动作用。以核糖体RNA基因序列为基础的高通量测序技术更加适合应用于微生物稀有种的检测分析。不同根系结构的根系分泌物组成和数量的变化，会影响微生物的特定物种的组成和变化。转Bt基因棉花是我国批转商业化种植的主要转基因作物，利用高通量测序技术分析转Bt基因棉花的根际土壤微生物群落组成以及动态演变趋势，解析优势种和稀有种对维持群落多样性的作用，阐明不同根系微生境对微生物群落组成影响，是转基因植物环境生态安全性评价的重要内容。.本研究主要试验结果如下：.在苗期，蕾期和开花期，相同根系的转Bt基因棉花根际土壤的pH值显著高于对照品种。在苗期和蕾期，转Bt基因棉花的侧根根际土壤的Bt蛋白含量显著高于主根。在苗期，转Bt基因棉花主根根际土壤的细菌和真菌丰度显著高于侧根，表明根系微生境对细菌和真菌丰度产生明显影响；相同微生境的转Bt基因棉花和对照品种的细菌和真菌丰度没有显著差异，说明细菌和真菌的丰度没有受到转Bt基因棉花的影响。相同生长期的转Bt基因棉花和对照品种的不同根系的细菌和真菌的香农指数没有显著差异。因而，转Bt基因棉花对细菌和真菌群落多样性没有产生特定影响。根际土壤细菌和真菌稀有属的丰富度对转Bt基因棉花种植的响应趋势与全部属保持一致，而细菌和真菌的优势属的丰度与全部属丰度的响应趋势一致。因而种植转Bt基因棉花主要通过对微生物的稀有属丰富度的影响，改变了整体微生物群落结构的丰富度，主要通过对微生物的优势属丰度的影响，改变了整体微生物群落结构的丰度。细菌和真菌聚类分析结果表明，根系不同微生境对细菌和真菌群落结构产生了显著影响。转Bt基因棉花的种植对群落组成的影响主要是由对优势属的影响引起的；转Bt基因棉花对细菌和真菌群落组成没有特定影响。