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现代高效农业生产模式下,农业集约化程度的提高和农用化学品的过量使用导致了土壤活性降低、土传病害频发等问题。植物根际促生菌(plant growth-promoting rhizobacteria,PGPR)是一类能在植物根际存活定殖并具有促进植物生长及/或防控土传病害能力的一类有益微生物,而PGPR菌株在植物根际的成功定殖是其充分发挥促生与生防功能的保障。深入了解菌-植之间的根际互作机制对于指导PGPR菌株的合理施用具有重要意义。多粘类芽孢杆菌SQR-21(Paenibacillus polymyxaSQR-21,简称SQR-21)是本实验室从西瓜种植发病区的健康植株根际分离得到的一株兼具促生及生防特性的根际有益菌,该菌株在实验室条件下能够强烈抑制西瓜枯萎病病原菌的生长,且在水培系统中能够明显提高西瓜植株生物量,该菌在盆栽和大田试验中均表现出良好的促生和生防效果。菌株SQR-21能够与西瓜根系建立协同友好互作关系,但具体互作机制仍有待明确。本研究以SQR-21为供试菌株,首先研究了西瓜根系分泌物中氨基酸组分对菌株SQR-21趋化性和根表定殖的影响,然后通过转录组测序技术,分别研究了(1)在体外振荡培养条件下浓缩西瓜根系分泌物对SQR-21基因转录表达的影响;(2)与西瓜根系原位接触不同时间SQR-21基因转录表达的动态变化;(3)西瓜根系原位不同状态SQR-21的基因转录表达差异。获得如下主要结果:1.采用水培方法收集西瓜根系分泌物并浓缩,通过氨基酸自动分析仪鉴定发现西瓜根系分泌物中含有13种游离氨基酸。通过滴定分析试验(Drop assay)定性分析SQR-21对各氨基酸组分的趋化性,结果表明菌株SQR-21对除甲硫氨酸和酪氨酸以外的11种氨基酸均存在趋化性,其中对苏氨酸、精氨酸、组氨酸和苯丙氨酸的趋化性较强。通过类毛细管试验定量分析菌株SQR-21对不同浓度氨基酸组分的趋化性,结果表明SQR-21对中等浓度的氨基酸(40-80 μM)表现出较强的趋化性,其中对60μM的精氨酸、组氨酸和苯丙氨酸具有强烈的正趋化作用。最后设计原位试验研究外源添加精氨酸、组氨酸和苯丙氨酸对菌株SQR-21在西瓜根表定殖的影响,发现60 μM的精氨酸、组氨酸和苯丙氨酸均能显著促进菌株SQR-21在西瓜根表的定殖,进一步验证了 SQR-21对这3种氨基酸的趋化作用。2.浓缩的西瓜根系分泌物可显著促进菌株SQR-21在含10%土壤浸出液的1/20 TSB培养基中的生长。利用Illumina高通量转录组测序研究了在体外振荡培养条件下西瓜根系分泌物对菌株SQR-21基因转录表达的影响。结果表明西瓜根系分泌物显著调控了 SQR-21细胞中12.4%的基因(625个基因),其中446个基因为正调控。主要调控的基因类群包括细胞基础代谢(以碳水化合物转运与代谢、氨基酸转运与代谢以及能量产生与转化为主)、次级代谢产物合成、转运与分解(主要与拮抗物质合成相关)、防御机制(主要为与多重药物转运蛋白相关)、转录调控(主要为与双组份调控系统相关)以及细胞趋化与运动等。整体看来,西瓜根系分泌物促进了菌株SQR-21的细胞生长代谢,并可诱导其拮抗活性物质的产生。3.利用Illumina高通量转录组测序研究了与西瓜根系原位接触不同时间菌株SQR-21基因转录表达的动态变化。结果表明与未接触西瓜根系(即接触时间为0h)的处理SO相比,与西瓜根系的短期接触(1 h和3 h,处理S1和S3)对SQR-21细胞内整体的基因转录表达影响较小,差异基因分别为9个和21个;与西瓜根系接触9h(处理S9)后,菌株SQR-21细胞内共有1008个基因的表达水平被显著调控。为了避开Oh处理中环境“骤变”对细菌基因转录表达的影响,最终以与西瓜根系接触1h作为“初始状态”,分析了与西瓜根系接触9h和1 h两处理间SQR-21的基因表达差异。结果表明共有870个基因的表达水平发生显著变化,约占SQR-21基因总数的17.2%,其中275个基因被显著上调。主要调控类群集中于碳水化合物转运与代谢、能量产生与转化(主要为参与电子传递链和氧化还原反应的基因)以及转录调控等方面。在细胞基础代谢方面与上述根系分泌物的调控作用类似,即原位接触西瓜根系一定时间后菌株SQR-21的细胞生长代谢更加活跃,但在次生代谢产物的合成、转运与分解以及防御机制等方面的相关基因表达变化不大。4.利用Illumina高通量转录组测序研究了菌株SQR-21与西瓜根系原位接触3 d后,处于外围根际的浮游菌体(P)、靠近西瓜根系但非定殖的根际菌体(R),以及定殖于西瓜根表的定殖菌体(C),这三种不同状态SQR-21细胞内基因表达水平的差异。结果表明浮游菌体和根际菌体的基因表达特征比较相近,差异基因较少。定殖菌体与根际菌体细胞内基因表达水平差异明显,共有199个基因的表达水平发生显著变化,约占SQR-21基因总数的3.9%,其中88个基因被显著上调。主要调控的基因类群包括细胞基础代谢(以碳水化合物转运与代谢以及能量产生与转化为主)、细胞壁/细胞膜生物合成(以与细胞壁生物合成相关的糖基转移酶为主)以及转录调控(主要与生物被膜形成相关)等方面。另外,定殖菌体与浮游菌体相比,其生物被膜负调控因子abrB表达量显著下降、多个编码糖基转移酶和内切葡聚糖酶的基因显著上调。这些结果表明在根表定殖的菌体相比于根际与浮游菌体具有更活跃的细胞代谢水平和更强的抗逆性,根表定殖赋予其更强的根际适应能力和竞争能力。