超级结瘤大豆根瘤内细菌种群结构对根瘤固氮能力的影响机理研究

The efficiency of soybean-rhizobium symbiotic nitrogen fixation was affected and restricted by the rhizobium, soybean varieties and the nitrogen level of soil. There is symbiotic matching relationship between rhizobium and soybean cultivars, and the diversity of soybean rhizobium population structure was generated from this. Besides, there are some functional unclearly nodule endophytes inside the soybean nodules. In this research, we take the super-nodulation soybean as the object of study, the mother cultivar as the control variety, design four different level of nitrogen (zero, low, middle, high) treatment to exclude the affection caused by the nitrogen level to the nitrogen fixing capability of nodules using soil pot experiment. By using the culture dependent method combined with the culture-independent method, we can target screening and culturing the bacteria inside the soybean nodules. The genetic diversity analysis of the isolated strains revealed the distinctness of the bacteria community structure of the super-nodulation soybean. Combined the screening method using vermiculite with the screening method using soil pot, we can get the strains of high efficiency of nitrogen fixation (Promote nitrogen fixation) ability and of strong competition ability from the strains inside the soybean nodules. By using the third generation of high-throughput sequencing, we can detect the change of bacteria community structure in the super-nodulation soybean nodules after inoculated the excellent strains under the different nitrogen level of soil, combined the results with the nodule nitrogenase activities to make the correlation analysis, we can ultimately clarify the affect mechanism of bacterial community structure inside the super-nodulation soybean nodules correlated to the nitrogen fixing capability.

大豆-根瘤菌共生体系的固氮能力受到根瘤菌、大豆品种及土壤氮素水平的影响与制约。根瘤菌与大豆品种之间具有共生匹配性，并由此产生了大豆根瘤菌种群结构的多样性。此外，在大豆根瘤内还存在着一些功能不是很清楚的根瘤内生菌。本研究以超级结瘤大豆为研究对象,其母本普通结瘤品种作为对照，采用土壤盆栽试验，设计4个氮素水平（无、低、中、高）用以排除氮素对根瘤固氮能力的影响。通过可培养法和非培养法相结合,针对性地分离筛选大豆根瘤内细菌,通过对菌株进行遗传多样性分析,揭示超瘤品种根瘤内细菌种群结构特异性,通过蛭石筛选和土壤盆栽筛选相结合,从根瘤内细菌中筛选获得固氮(促进固氮)效率高、竞争能力强的优良菌株，并通过第三代高通量测序技术，考查不同氮素水平下接种该优良菌株后超瘤品种根瘤内细菌种群结构变化情况，将其与大豆根瘤固氮酶活性进行相关性分析，最终阐明超级结瘤大豆根瘤内细菌种群结构对根瘤固氮能力的影响机理。

大豆是一种共生固氮作物，其与根瘤菌形成的特有共生固氮体系，能够将空气中的游离氮转化为可以被大豆直接吸收利用的氮素养料。因此，提高大豆的结瘤固氮能力对于减少氮肥的过度施用所造成的污染和浪费具有重要意义。如何提高大豆高效固氮能力是我国农业生产的迫切需求。. 本项目以不同氮素水平下超级结瘤大豆品种-东富4为研究对象，以其母本普通结瘤品种-黑河38作为对照品种，开展了超级结瘤大豆根瘤内细菌种群结构特异性研究；超级结瘤大豆根瘤内不同细菌种群对根瘤固氮酶活性的影响研究以及根瘤内细菌的竞争性对超瘤品种根瘤固氮能力的影响研究。. 基于本项目的研究发现，普通结瘤大豆品种根瘤内细菌种群结构以大豆慢生为主（55%）。通过对普通结瘤大豆和超级结瘤大豆根瘤内生细菌种群结构的组成比较分析发现，超级结瘤大豆根瘤内根瘤菌并不是第一优势种群，并且以根瘤菌属为主。氮素水平对于根瘤菌群存在一定的影响。超瘤品种的固氮酶活性受氮素水平的影响变化不大。超瘤品种比其母本在固氮量上显著提高，并且在低氮水平条件下固氮量最大，这表明高氮肥水平对于固氮呈现一定的抑制效应。在超瘤品种的根瘤内，蓝细菌的比例均显著高于普通结瘤品种，其组成与根瘤固氮酶活性具有一定相关性。除此之外，在两个品种的大豆根瘤内均发现了一些非根瘤菌的根瘤内生细菌存在。在超瘤品种根际，根瘤菌属的菌株具有更强的根际竞争结瘤能力，但是其共生固氮效率要低于慢生根瘤菌属的菌株。氮素水平对于超瘤品种的结瘤数量、株高、叶片叶绿素含量、地上部干物重、产量性状、植株氮素含量、籽粒蛋白等特征具有一定的影响。. 通过本项目的研究，将对于阐明大豆结瘤固氮的影响机制具有重要的理论意义，对于农业生产中合理施用氮肥，减少化肥施用，增加农业的生产效益具有重要的指导意义。