根际微生物对向日葵列当寄生的调控及其微生态机制研究

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:cuthberthirsch
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向日葵列当(Orobanche cumana Wallr.)是一种全寄生性杂草,依靠吸取寄主体内的养分、水分和矿物元素来满足其自身生长发育。内蒙古是我国向日葵主要种植区,受列当严重寄生的影响,向日葵产量减少,品质降低,影响农民收益,进而严重影响向日葵产业。向日葵列当种子的萌发和寄生均发生在地下,目前常用的防除手段不能从根本上解决问题。因此,本研究以内蒙古地区列当寄生发生严重农田中的向日葵根际微生物作为研究对象,结合宏基因组测序和代谢组分析列当不同寄生程度向日葵根际微生物群落组成差异;依靠分子对接技术,研究了根际细菌代谢产物调控列当萌发的机制。利用生防菌娄彻氏链霉菌D74进行列当共培养试验和盆栽试验,揭示了向日葵对生防菌娄彻氏链霉菌D74的响应及其抵御列当寄生的机制;通过种植大田试验,验证了娄彻氏链霉菌D74菌剂降低列当寄生和促进向日葵产量与品质的应用效果。本研究主要结果如下:(1)向日葵根际微生物群落组成与列当寄生密切相关。通过对不同农田中列当不同寄生程度向日葵根际微生物群落结构和功能比较分析,发现Observed OTUs指数在列当寄生的土壤中降低,并且有、无列当寄生的向日葵根际微生物群落组成具有显著性差异。在列当寄生土壤中疣微菌门(Verrucomicrobia)、放线菌门(Actinobacteria)和芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)的丰度显著高于非寄生土壤。此外,黄单胞菌科(Xanthomonadaceae)丰度与列当寄生呈正相关,微颤蓝细菌科(Microscillaceae)丰度与列当寄生呈负相关。共现网络分析表明,健康向日葵根际微生物的网络密度和模块化更高,即具有更复杂和稳定的微生物群落。宏基因组测序结果表明,影响KO通路与EC酶差异表达的微生物主要为溶杆菌属(Lysobacter)、假单胞菌属(Pseudomonas)和贪噬菌属(Variovorax)。同时列当寄生的向日葵根际土壤中可培养细菌、放线菌和真菌的数量均显著增加。(2)向日葵根际细菌HX79代谢物具有促进列当“自杀性”萌发的作用。通过可培养方法从向日葵根际土壤中分离获得282株细菌,结合高通量测序结果筛选获得了与列当寄生相关的5株潜在细菌,利用细菌发酵液与列当进行萌发试验和盆栽试验表明,抗生素溶杆菌(L.antibioticus)HX79具有促进列当萌发和寄生的作用。全基因组测序表明,菌株HX79含有大量合成次级代谢产物的NRPS基因簇。利用代谢组分析了菌株HX79次级代谢产物,并结合分子对接方法,测试了与列当KAI2d2蛋白发生亲核反应的次级代谢产物,鉴定到三种能够促进列当萌发的化合物Cyclo(Pro-Val)、2’-deoxyinosine和2-hydroxyadenosine,其中Cyclo(Pro-Val)浓度在10μM时列当萌发率最高(40.26%)。盆栽试验表明,抗生素溶杆菌HX79可作为列当“自杀”性萌发诱导物质,使列当种子徒劳萌发,减少土壤中列当种子库数量,减轻对向日葵的寄生。(3)娄彻氏链霉菌D74通过多维度抑制向日葵列当寄生。向日葵–列当–娄彻氏链霉菌(Streptomyces rochei)D74共培养试验证明,娄彻氏链霉菌D74可以显著抑制列当在向日葵根部寄生。盆栽试验表明,娄彻氏链霉菌D74显著降低了列当出土数(13.04%–29.86%)和寄生数(24.58%–30.81%),提高了向日葵株高和干物质积累。娄彻氏链霉菌D74通过定殖在向日葵根表,促进寄主茉莉酸类和水杨酸类激素合成(31.29%–243.86%),抑制5-脱氧独脚金醇化合物的合成(37.56%),增强植物抗逆境相关酶活性(11.78%–40.00%),提高与系统获得抗性和诱导系统抗性相关基因和抵抗列当寄生的Ha Or7基因表达(1.66倍–7.91倍),多维度提升了向日葵系统抗性,从而抑制向日葵列当寄生。(4)娄彻氏链霉菌D74菌剂具有较好大田应用效果。大田应用试验表明,娄彻氏链霉菌D74菌剂显著降低了列当寄生数量(27.76%–45.66%),提高了向日葵根、茎(36.99%–40.44%)和花盘生物量(21.26%–36.59%),增加了籽粒中大粒占比(64.64%–66.80%)、百粒重(7.48%–17.75%)和粗蛋白含量(4.91%–9.28%),提升了向日葵产量(28.94%–38.26%),证明了娄彻氏链霉菌D74菌剂对抑制列当寄生、提高向日葵产量和品质的作用。综上所述,本研究阐明了列当不同寄生程度的向日葵根系微生物群落差异,筛选获得了促进列当寄生的菌株抗生素溶杆菌HX79,揭示了其通过次级代谢产物调控列当寄生的机制。确认了施用生防菌娄彻氏链霉菌D74对抑制列当寄生、提高向日葵产量和品质的作用,阐明了娄彻氏链霉菌D74通过提升向日葵系统抗性,促进抵抗列当寄生基因的表达和植物激素的合成,抑制列当寄生并促进向日葵生长的机制。本研究证明了微生物可以通过次级代谢产物调控列当寄生,这为今后利用根际细菌解决向日葵列当寄生问题提供了菌株资源和理论依据。
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