砧穗互作下西瓜根际化学多样性与生物多样性的偶联关系研究

As an ancient agricultural technology, grafting is a prevalent tool to resistant stress and soil-borne disease in nowadays with controversy on genetically modified technology. Based on the previous results, we have established the “double barriers” model (chemical barrier and biological barrier) in the grafted-watermelon rhizosphere for defensing the invasion of soil-borne pathogens, however, the inter-relationship between the two barriers is still mysterious. In the project, we will employ the grafted watermelon to design experiment and introduce modern mass spectrometry techniques and the coupling techniques of stable isotope tracer and soil omics to clarify the characteristics of rhizosphere microbiome and rhizodeposit of grafted watermelon, non-grafted watermelon and the rootstock plants in different soil type, decipher the root exudates-originated C-flux processes and the differences of rhizosphere microbiome assembly processes drived by the rhizodeposits between grafted watermelon and non-grafted watermelon, and thus expound the origin of rhizo-chemicals and the inter-relationship between rhizo-chemical diversity and rhizo-microbiome. The project tries to find clues from watermelon grafting on quantitatively or qualitatively describing the impact of certain typical rhizo-chemicals on rhizo-microbiome assembly and clarifying the coupling mechanisms of the “double barriers”, and thus seek out cues how to manipulate the rhizo-microbiome and provide some theory to the practical application.

嫁接作为一种古老的技术，在转基因技术仍存在争议的今天，已被广泛用作加强作物抗病抗逆等能力的手段。通过前期研究，申请人提出砧穗互作下嫁接西瓜根际可以形成化学屏障和生物屏障来抵抗土传病害的双“屏障”模型，但这两个屏障的互作关系以及根际化学物质和根际微生物区系的偶联关系仍存迷。项目以嫁接西瓜等为材料设计试验，利用现代质谱技术以及稳定性同位素示踪和土壤组学技术偶联的方法以解析不同土壤类型上嫁接砧木、嫁接西瓜和非嫁接西瓜根际微生物群落和根际沉积物质的特征，并分析嫁接西瓜和非嫁接西瓜的根际碳流过程以及两者的根系分泌物在参与根际微生物构建过程中的差异，最终阐明根际化学物质来源及其多样性与根际微生物多样性之间的关系。项目试图从西瓜嫁接抗病中找线索，以定性或定量的描述一些典型根际化学物质对根际微生物的影响以及“双屏障”如何协同抵御根际病害的机制，期找到定向调控根际微生物区系的理论支撑并为实际应用提供参考。

嫁接作为一种古老的技术，在转基因技术仍存在争议的今天，已被广泛用作加强作物抗病抗逆等能力的手段，阐明嫁接西瓜根际微生物过程不仅是揭开嫁接技术抗病之谜的重要途径之一，也是丰富根际微生物定向调控理论的重要途径之一。项目从土壤遗留效应的角度，发现自根西瓜与嫁接西瓜长期大田连作后产生了完全不同的土壤遗留效应，自根西瓜连作后的土壤遗留抑制自根西瓜生长，嫁接西瓜连作后的土壤遗留却促进嫁接西瓜生长，自根西瓜和嫁接西瓜连作后的不同生长状态与驯化的土壤微生物群落特性有关，同时，自根西瓜的土壤遗留增强了植物的硫代谢和三羧酸循环，而嫁接西瓜连作土壤刺激了自根西瓜的精氨酸合成代谢途径，增强了嫁接西瓜鞘脂代谢合成途径；通过盆栽试验，发现砧穗互作均提高根际细菌群落多样性，且增强网络结构和稳定性，并且发现了西瓜全生育期的根际环境中存在功能相似但异步变化的微生物种群，这种变化模式可能贡献生态系统的功能稳定，而砧穗互作提高根际条件型稀有细菌的种群异步性，从而提高根际功能稳定性；证实了西瓜植株分解产生的自毒物质也是导致西瓜连作障碍的主要原因，并采用气相质谱（GC-MS）和稳定同位素探针变性梯度凝胶电泳（13C-DNA-SIP-DGGE）的方法，确定了连作土壤中分解西瓜植株残体的总共有9个门类中的27个细菌种；项目从嫁接西瓜抑病根际分离出394株细菌，并基于生态位宽度，从分离菌种中得到16种不同的细菌作为核心微生物。将所得到的16种核心微生物回接到自根西瓜盆栽中，与对照组相比，有益菌群的添加有明显的促生和防控枯萎病作用。总之，该项目不仅增加了我们对于植株残体分解形成自毒的认识，并为通过对田间实践中的农作物残茬管理来减轻土传病害提供了理论依据，而且证明了嫁接引起的代谢变化与根际微生物群落和植物适应性的关系并筛分到了嫁接根际核心可培养微生物菌群，为定向调控根际微生物区系的理论支撑并为实际应用提供参考，以及为西瓜促生和抗病提供有效的微生物菌群资源。