耐盐生态浮床植物根际微生物多样性、生态功能及与植物互作机制研究

The phytoremediation of polluted water systems by ecological floating bed technique is essentially the co-operations between remediation plants and their rhizobacteria. The rhizobacteria in land or freshwater play many important roles in promoting growth of the plants, removing the inorganic nutrients, transforming and detoxifying the heavy metals and degrading the organic pollutants, whereas the microbes living in halophytic rhizosphere have been seldom studied. In this project, rhizobacteria of three promising remediating halophytes (Sesuvium portulacastrum, Salicornia bigelovii and Salicornia europaea) for saline water or seawater will be systematically studied for their communities and interactions with their hosts. On one hand, the overall bacterial community and especially, the abundances and phylogenetic diversities of ammonia oxidizing bacteria and archaea, denitrifiers, sulfate reducing bacteria, alkane degrading bacteria and polycyclic aromatic hydrocarbons degrading bacteria will be analyzed during seasonal variation and change of the composition of root exudates. On the other hand, bacterial isolates will be screened for their capabilities of plant growth promoting and siderophore producing. In microcosm, one or two bacterial strains will be tested for their colonization, growth and interactions with the host in the rhizosphere by using molecular techniques such as fluorescent in situ hybridization, quantitative PCR and metatranscriptomics. Our result will uncover the rhizobacteria diversity, functions and symbiosis with their halophytic hosts. Moreover, it will provide new insight into the mechanisms of co-remediation between rhizobacteria and halophytes in marine environments.

基于植物修复原理的生态浮床技术，本质上是由植物与微生物协同完成的生态修复。已知陆生和淡水植物根际微生物在促进植物生长、消除富营养化、耐受及转化重金属和降解有机污染物等方面起着重要作用，但目前对海水环境中耐盐植物的研究极少。本项目针对3种修复效果较好且已前期应用于生态浮床的植物（海马齿、北美海蓬子和盐角草），系统调查根际微生物背景及与植物根系相互作用。首先，考察季节或环境变化过程中根系分泌物变化与根际微生物群落结构及丰度变化的关系，着重分析功能微生物类群（氨氧化细菌， 氨氧化古菌，反硝化细菌，硫酸盐还原菌，烷烃降解菌和多环芳烃降解菌）丰度与多样性。其次，分离对植物生长有直接作用的典型根际促生菌和铁载体合成菌，筛选1-2株通过微宇宙回归实验，追踪其在根系的定殖并以宏转录组方法考察基因表达。研究结果将揭示盐生植物根际微生物多样性、功能以及与植物互作关系，探明海水环境中植物与微生物的协同修复机制。

植物修复是指利用特定植物及其根际微生物的代谢活动来吸收、积累或降解转化环境中的污染物以达到净化、修复环境的目的。在植物修复的过程中，除了植物自身对污染物的吸收和转化作用之外，生活在植物根际的大量微生物，通过与植物根系耦合，在污染修复过程中发挥重要作用。本研究课题系统地跟踪了海水生态浮床从开始铺设到稳定运行期，以及季节变化过程中根际微生物的群落结构和主要功能微生物类群的变化，对比浮床植物（海马齿、北美海蓬子和盐角草）生态浮床根际的水体以及周围非根际区域水体的微生物群落结构以及特定功能微生物（硫酸盐还原菌及反硝化细菌等）的多样性及丰度；结合植物生长过程中根系分泌物中有机酸的种类和相对含量，分析植物-微生物的相互作用关系。结果显示，生态浮床的根际微生物受水体交换影响，时间尺度上群落结构差异较小，整体以弓形菌属（Arcobacter）为主；温度、溶解氧、氨氮和无机磷对微生物多样性有显著影响。FAPROTAX功能预测结果显示，海马齿根际微生物群落的主要生态功能为化能异养、甲醇氧化和芳烃降解等。硫酸盐还原菌，以及分别含有nirK和nirS的反硝化功能微生物，持续存在于海马齿根际。其中，硫酸盐还原菌在不同地点之间的种类差异较大，但是丰度较高的类群保持不变；反硝化功能微生物随着季节的变化显示了一定的差异性，并且在根际与非根际的样品中显现了一定的差异。此外，对海马齿根系分泌物变化与根际微生物群落结构相互关系进行分析的结果显示从浮床开始铺设到稳定运行期间，根系分泌的有机酸种类数以及丙酸、苹果酸、丁酸和戊酸相对含量展现出上升的趋势。根系分泌物相对浓度与微生物群落结构数据之间的相关性分析显示油酸的含量变化与水样中微生物群落的Simpson指数显著相关，戊酸的含量对样品群落结构组成差异影响较大。