哀牢山多元环境土壤微生物分泌型铁载体结构多样性及其生态效应调查

Microbial community is an important component of soil ecosystem and microbial growth depends on the effective supply of iron in the environment. As a kind of microbial secondary metabolites with iron ion chelating activities, siderophores play key role in assisting the microorganisms for iron uptake, distribution and effective utilization. In this study, based on the assumption proposed on the previous work: secretory type siderophore is an intrinsic independent factor which can influence the structure and function of soil microbial community, the environmental samples will be collected from the various vegetation and soil zones from the National Nature Reserve of Ailao mountain because of its unique vertical climate advantage; It is planed to screen the secretory type siderophore producing microorganisms, furthermore, to investigate their siderophore chemical structure types, the influence of different types siderophore on the soil microbial community structure, community biological function and the siderophores relationship with other external environmental factors during this process. Through this project, it is expected to discover more active siderophores and reveal the relationship between the secretory type siderophorer structure diversity and community ecological effect. This work can lay the foundation for the further soil ecological restoration research mediated by siderophore and has important guiding significance and practical value in agricultural production and environment ecological management field.

微生物群落是土壤生态系统重要组成部分, 其中的微生物生长有赖于环境中铁元素的有效供给。铁载体作为一类具有铁离子螯合活性的微生物次生代谢产物，在协助微生物对铁元素的摄取、分配及有效利用过程中发挥着关键作用。基于前期工作基础之上提出的假设：分泌型铁载体是导致土壤微生物群落结构和功能发生改变的一种内在独立因子；本研究拟在哀牢山国家级自然保护区境内，利用其独特的垂直立体气候优势，从多元化的植被带和土壤带采集原生态环境样品；从中筛选分泌型铁载体产生菌，并考察其铁载体结构类型、不同类型铁载体对土壤微生物群落结构的影响、由此导致的群落生物学功能变化以及铁载体在此过程中与其它环境因子的相互关系。通过本研究，预期发现更多铁载体活性化合物；揭示分泌型铁载体结构多样性与其群落生态效应之间的对应关系；为持续深入开展以铁载体为介导的土壤生态修复研究奠定基础；在农业生产及环境生态治理领域都具有重要指导意义和实践价值。

本研究以云南哀牢山保护区不同气候类型植被林下土壤为材料，经过筛选分离获得铁螯合活性菌株。结果表明：绝大部分活性菌株源自原生林土壤。环境因子（森林凋落物、高含水量土壤、低铁含量及低pH）对土壤活性微生物的组成具有重要的影响。进一步选择其中的3株高活性菌株（1_5F1、2_8F2及2_14F2）开展后续工作；它们分别为与曲霉属微生物、白僵菌属微生物及木霉属微生物相似性最高。.通过对菌株代谢产物化学和发酵产物代谢组研究后发现，3株菌的代谢产物组成明显不同。但均未发现真菌典型异羟肟酸物质存在。相反，三株菌均产生大量的氨基酸和有机酸类化合物，这些化合物许多都具有金属螯合位点。从该结果推断：这三株菌主要通过有机酸（比如最简单的铁载体-柠檬酸、多元羧酸及葡萄糖酸等）和氨基酸类化合物为混合载体实现其铁螯合功能（这些化合物在单体状态下螯合活性降低或不太明显；在混合状态下则具较强螯合性能）。我们推断：这些菌株在一个微生物组成比较单一且固化的土壤微生物群落背景下，快速产生结构简单的“公共物品（Public goods）”更符合群落的总体利益。.这些菌株的铁螯合活性物土壤介入研究结果表明：铁螯合活性物的添加可以显著改变土壤中的微生物组成，并由此改善了土壤代谢和土壤酶活力状况。在盆栽实验中（以青枯雷尔氏菌Ralstonia solanacearum为靶标），进一步效验证了真菌2_8F2与2_14F2铁螯合活性物对植物病原菌的防控效果；且表明铁螯合物质是2_8F2与2_14F2菌株发挥抑菌作用的重要影响因子（在铁充足环境下，两株菌铁载体活性物质抑菌活性均显著降低）。.经过本项目研究，筛选到了目标菌株，考察了菌株与环境的相互关系；针对代谢产物，考察了它们介入对土壤微生物群落构成、土壤代谢、土壤酶活及土传病害的影响，探索了这些菌株及其活性代谢物的生物学功能及其可能的生态学意义。通过本工作申请了2项发明专利、发表了5篇相关研究论文，与相关企业就本项目菌株后续开发建立了合作关系。为这些菌株的应用开发奠定了良好的基础。