健康微生物区系防控西瓜枯萎病机理及其特有优势菌群定向培育研究

Watermelon fusarium wilt, which poses a threat to the sustainable development of global watermelon production, is a destructive soil-borne disease caused by Fusarium oxysporum f. sp. niveum (FON). Since the environmental condition suitable for pathogen growing is not changed, soil chemical sterilization often performs unsatisfactorily as the common measure to control watermelon fusarium wilt, the disease usually outbreaks again in a short time. Hence, establishing a healthy microbial community is crucial for the long-term control of watermelon fusarium wilt. In this project, MiSeq pyrosequencing, Fourier transform infrared spectroscopy and modern analytic methods will be employed to 1) study the differences in microbial communities and organic matter compositions of the healthy and fusarium wilt infected watermelon rhizosphere soils; 2) figure out the relationships between the dominant microbial species specific in healthy rhizosphere soil and FON; 3) based on the organic compositions of healthy soil and the metabolisms on carbon and nitrogen sources of the specific dominant species and FON, optimize the organic materials applied during reductive soil disinfestation and watermelon planting, and study the effects of different proportional organic materials on the oriented cultivations of specific dominant microbial species in healthy soil and the prevention of watermelon fusarium wilt. We try to reveal the mechanism of preventing watermelon fusarium wilt by healthy soil microbial community, and provide the theoretical basis for establishing a healthy soil microbial community.

西瓜枯萎病是由尖孢镰刀菌西瓜专化型引起的世界性、毁灭性土传病害，严重威胁西瓜产业可持续发展。目前常用的土壤化学灭菌措施效果有限，由于适于病原菌生长的环境条件并未改变，枯萎病仍会迅速爆发。为有效防控西瓜枯萎病，除杀灭病原菌外，构建健康土壤微生物区系是关键。本项目以西瓜种植土壤为研究对象，利用高通量测序和傅里叶变换红外光谱等技术手段，分析健康和感病的西瓜根际土壤微生物区系和有机物组成差异；研究健康西瓜根际土壤特有优势菌群与尖孢镰刀菌间相互关系；基于健康土壤有机物组成和上述菌群碳氮源利用谱差异，优化强还原土壤消毒和西瓜种植过程中有机物料配比，并研究其在定向培育健康土壤特有优势菌群和防控西瓜枯萎病方面的效果。从微生物群落互作角度，揭示健康土壤微生物区系防控西瓜枯萎病机制；为构建健康土壤微生物区系长效防控西瓜枯萎病提供理论依据。

为有效防控西瓜枯萎病，除杀灭病原菌外，构建健康土壤微生物区系是关键。本项目以西瓜种植土壤为研究对象，利用荧光定量PCR、高通量测序和傅里叶变换红外光谱等技术手段，明确了健康和感病西瓜根际土壤微生物区系和有机物组成和其他理化性质差异：健康植株根际土壤无机氮含量更高，感病植株根际土壤半纤维素和多糖类物质相对含量降低。不同健康状况西瓜植株根际土壤微生物区系差异显著，健康植株根际土壤微生物区系中潜在拮抗菌相对丰度最高而枯萎病病原菌（Fusarium oxysporum）丰度和潜在致病菌相对丰度最低。本项目揭示了健康根际土壤具有较多核心和隶属于中央模块的微生物类群，相较于健康植株，感病和死亡根际土壤三个核心OTU的相对丰度和隶属于中央模块的OTU累积丰度均显著降低。这些特征可能对植物健康起到重要作用。同时，本项目从微生物群落协同互作角度，揭示土壤微生物区系防控植物枯萎病机理。通过分析了土壤微生物群落组成及网络结构变化，探究添加不同种类碳源、提高pH和土壤盐度对土壤微生物性状和抗病能力的影响：添加小分子糖后，土壤微生物群落网络更为复杂，但F. oxysporum数量富集且与微生物网络结构中的关键类群之间有正相关或无相关关系。未种植西瓜的自然土壤微生物关键类群或对病原菌有抑制作用，添加糖后抑制作用消失。强还原消毒技术（RSD）能够在有效杀灭F. oxysporum的同时改变土壤微生物群落结构，有效地抑制了种植作物过程中F. oxysporum的增长。提高土壤盐度（添加K2SO4）改变了RSD处理土壤的微生物群落结构，土壤抑病能力减弱，F. oxysporum数量大幅增加，导致作物发病。本项目在田间条件下，采用合适的土壤消毒技术在杀灭病原菌的同时改变病害土壤“固有”微生物群落，结合生物有机肥优化施用模式，有效改变了西瓜根际土壤有机物质组分，定向培育了根际土壤关键微生物菌群，有效防控了西瓜枯萎病。本研究为农业生产上防控西瓜枯萎病提供了可行的技术措施和理论依据。项目资助发表研究论文6篇，项目经费支出与预算相符。