根部细菌多样性及其对外来植物成功入侵的生态作用与机制

Root microhabitat includes Rhizosphere, Rhizoplane and Endorhizosphere, where the microbial communities and function are significantly different. However, previous ecological invasion studies on Plant–Soil Feedbacks hypothesis and Enhanced Mutualists hypothesis investigated the biological function of some rhizosphere microbes on their host invasive plants without distinguishing the root microbabitat, or some endophytic microbe on their host invasive plants without eliminating the effects of other endophytic ones by using non-aseptic seedlings. Therefore, the conclusions of these studies were likely biased. In this study, the community structure and diversity of bacteria in rhizosphere, rhizoplane and endorhizosphere of notorious invasive plant and its congenetic native plant will be separately analyzed by metagenome sequencing technology. We will combine both traditional microorganism pure culture and aseptic tissue cultured seedlings to explore the ecological effects and mechanisms of all three root-associated bacteria on W. trilobata invasion using in vivo and in vitro experiments. These results will not only contribute to a more comprehensive and in-depth understanding of ecological effects and mechanisms of symbiotic microorganism on exotic invasive plant, but also have important significance to develop and enrich the ecology theory on interactions between microorganism and plant invasion.

植物根部微生境可细分为根际、根表及根内三部分，各部的细菌群落组成及生态功能往往区别较大。然而，以往围绕“植物-土壤反馈”与“共生促进”两个假说的研究常未加区别地对入侵植物“根际微生物”群落或仅利用非无菌苗对某根内细菌的功能进行孤立研究，所得结论均因有局限性而可能有所偏颇。本项目拟在前期研究基础上，同时结合上述两个假说并针对以往研究的局限，采用宏基因组分析比较入侵植物及其本地近缘种(如，南美蟛蜞菊与蟛蜞菊，或加拿大一枝黄花与一枝黄花，或空心莲子草与莲子草)根际、根表与根内细菌的群落结构与多样性，并综合运用微生物纯培养、组培技术及比较生态学进行功能分析，以验证我们的假说：入侵植物根部不同微生境间的细菌通过各自及密切联系为入侵植物在与本地植物的“角逐”中赢得竞争优势。研究结果有助于更全面、深入理解体内外共生微生物对外来植物成功入侵的生态效应与机制，对发展和丰富入侵生态学理论具有重要意义。

尽管对导致全球生物多样性快速丧失的外来植物入侵的机理研究具有重要的现实意义与紧迫性，入侵生态学以往的关注重点多集中于宏观有机体层面上，却极为罕见将微生物群落及其功能紧密结合深入探究二者对入侵植物的影响。本项目结合高通量测序技术和微生物的纯培养方法研究了恶性入侵植物加拿大一枝黄花不同入侵程度下其根部内生和根表微生境的细菌菌群（Alpha和Beta多样性）和生物学功能（生长素分泌能力）的差异，同时利用植物组织培养技术建立的无菌苗培养体系考察了菌群产生长素对加拿大一枝黄花生长的影响，进一步对加拿大一枝黄花根表菌在其植株抗病中的作用进行了探究。获得了以下主要研究结果：. 1.加拿大一枝黄花的根内与根表的细菌群落组成和结构差异巨大，在门水平上内生细菌的绝大多数都是由变形菌门组成，而其他菌门的细菌丰度非常小(<0.1%)。与内生细菌不同，根表细菌的群落多样性大大增加。这表明加拿大一枝黄花的根系对土壤微生物的招募很可能具有很强的选择性。. 2.根表细菌的Alpha多样性随着加拿大一枝黄花不同的高、低入侵程度存在显著的差异，而根内细菌则未见该样式。并且，在低入侵条件下相对丰度大幅度提高的菌属具有强烈的生长素分泌能力；进一步通过无菌苗的反接种实验验证了该菌群产生长素的功能对加拿大一枝黄花具有的显著的促生作用。. 3.通过生物信息学分析以及平板对峙培养方法最终确定了一些具有极强广谱抗病能力的根表细菌，相对于本地一枝黄花，这些菌株都极大提高了加拿大一枝黄花的抗病能力。. 研究结果表明，入侵植物很可能可以通过在根内和根表选择性地招募并组装某些具有特殊功能的微生物组分，从而改变总体的群落组成，进而改变其根部不同微生境中微生物群落的功能，最终影响并促进其入侵进程。本项目深化了根际微生物群落与入侵植物相互作用的研究，特别是对根际微环境的精细划分（根内与根表微生境）及相应生物生态学功能的探讨，为今后入侵生态学的研究提供了一种新的思路。