豆科植物根际土壤微生物多样性及其与宿主植物和环境的关系研究

Terrestrial plants are closely related to soil microorganisms, and the interactions between them are extremely complex. Leguminous plants are exceptional, which can establish a symbiotic relationship with rhizobia, and develop a special plant tissue——the nodule, which can provide plants nitrogen. This research group has been committed to the research of rhizobia diversity and biogeography. A large number of rhizobia had been isolated. It had been found that the diversity of rhizobia was driven by soil pH, soil nutrients, altitude and other environmental factors. A variety of non symbiotic bacteria had also been isolated from root nodules. Although there were studies on the interactions between rhizobia and plants using the molecular biology, there still need researches on why such a wide variety of non symbiotic bacteria existed in nodules and what are their functions. This project will explore the composition and function of nodule endophytes, root endophytes, rhizospheric microorganisms and soil microorganisms community more comprehensively based on the high throughput sequencing methods. Combined with the research of the function and composition of the rhizospheric microbial community of soybean and alfalfa nfr mutant, this project will illustrate the selection of leguminous plants on soil microorganism by simulating various environmental factors.

陆生植物与土壤微生物关系密切，它们之间的相互作用极其复杂。而豆科植物又更为特殊，还能够与根瘤菌互利共生，形成特殊的植物组织——根瘤，为植物提供氮素营养。本课题组长期从事豆科植物根瘤菌多样性及生物地理分布的研究，分离了大量共生根瘤菌，发现豆科植物根瘤菌多样性受土壤pH、海拔、土壤营养元素等环境因子影响，同时也分离了大量非共生豆科植物内生菌。虽然目前已有基于分子生物学对根瘤菌和植物互作的研究，但是仍然无法回答如此种类繁多的根际微生物及植物内生菌的多样性、群落组成与功能。该项目拟采用高通量测序和宏基因组测序技术，在温室条件下深入系统的研究大豆和紫花苜蓿根际微生物、根内生菌和根瘤内生菌的多样性及群落结构与功能，结合豆科植物结瘤因子受体（nfr）突变体的根际微生物群落结构和功能，阐述豆科植物对土壤微生物功能的选择作用。

豆科植物和根瘤菌互作形成根瘤，可培养方法发现根瘤内存在多种非共生根瘤内生菌，但其群落结构、变化规律及其影响因素仍不清楚。本项目利用高通量测序技术，阐明了大豆和苜蓿的根瘤内生菌群落结构，发现Ensifer和Bradyrhizobium是大豆根瘤内生菌群落的主要类群，Ensifer是苜蓿根瘤内生菌的主要类群，并发现存在少量的Rhizobium和Mesorhizobium。根瘤菌群落主要受植物种类、生长时期以及土壤N含量和pH的影响。非共生根瘤内生菌主要属于变形菌门、放线菌门、厚壁菌门和拟杆菌门，主要受植物种类、土壤N和P含量的影响，时期对其无显著影响。非共生根瘤内生菌与根内生菌群落结构之间存在显著差异。根际微生物群落结构主要受土壤pH、P和K影响。发现根际微生物多样性对植物生物量有显著影响，其中Turicibacter、Treponema、Filifactor 和Aestuariimicrobium是首次发现的根际潜在促生菌，仍需进一步研究。根瘤内、根内、根际和根区四个微域的微生物群落组成间有显著差异，发现从内到外的微生物群落alpha多样性逐渐上升，植物种类的影响逐渐下降，土壤类型的影响逐渐上升，显著富集和过滤掉的土壤微生物OTUs数目逐渐减少，共发生网络节点逐渐增多，上述从内到外的变化趋势说明豆科植物对土壤微生物表现出从外到内逐渐增强的层级过滤作用（过滤作用：根瘤>根>根际>根区）。.通过分根试验体系，发现豆科植物在同时感应到两种土壤条件时，土壤类型造成根际微生物群落的差异减小，两种土壤中的根际微生物群落组成结构出现由长距离信号引起的“趋同”现象。结果说明，豆科植物的长距离信号对根际微生物群落结构起到调控作用，氮循环相关微生物相对丰度受到影响，关键物种也发生变化。.综上所述，本项目揭示了豆科植物根瘤内生菌的群落结构及影响因素，阐明了内生菌的富集是通过根区、根际、根和根瘤对土壤微生物的层级过滤作用实现的，且植物长距离信号在筛选根际微生物的过程中也发挥了重要作用。