超高产生态区土壤微生物多样性及其在水稻高产形成中的生态功能

Taoyuan, Yunnan province is a special eco-site to study the high productivity of rice. In the face of the population explosion and reduction of farmland, exploring the potential factors of rice high yield is becoming seems emergent. A number of factors associated with high yield of rice, such as physiology, illumination and temperature had been studied and reported. However, the effect of microbial diversity for the high yield of rice is unknown. The main objective of this project is to reveal the characteristics of soil microbial diversity. A series of methods will be used to achieve the goal, including cultivation method, fluorescence in situ hybridization(FISH), BIOLOG and 454 sequencing system. At the same time, the characteristics of soil nutrients will be analyzed and the yield components of rice will be collected and analyzed. The associations among soil microbial diversity, soil nutrients and rice yield components will be established. And then, we will evaluate the ecological roles of soil microbial diversity in rice yield formation through soil nutrients. The taxonomic studies will be performed to the potential new species, and we will appropriately preserve these strains..The project will reveal the reasons of rice high yield formation from a totally new perspective. The results will not only develop rice high yield theory, but also provide theoretical guidance and microbial resources to improve soil quality and to increase the rice yield in the future.

涛源特殊生态区是研究水稻高产的理想区域。面对人口激增而耕地锐减，探索水稻高产成因已迫在眉睫。现有研究主要从生理、光照、温度等方面揭示水稻高产成因，但从微生物角度研究的报道尚不多见。本项目拟在前期工作基础上，综合运用微生物纯培养、原位荧光杂交（FISH）、碳素利用法（BIOLOG）、454高通量测序等技术，揭示涛源生态区土壤微生物多样性特征；同时分析土壤养分特征、收集水稻产量性状，运用分析软件在微生物多样性、土壤养分和产量性状之间建立关联，以土壤养分为纽带，评价超高产生态区土壤微生物多样性在水稻高产形成中的生态功能；并对分离的潜在新物种进行系统学研究，保藏一批超高产生态区土壤微生物菌株，为将来土壤定向培育和土壤改良储备菌种资源。.本项目将从全新角度揭示涛源水稻高产成因，不仅能完善水稻高产理论，还可为下一步改良土壤质量、提高水稻产量提供理论指导和菌种资源。

涛源特殊生态区是研究水稻高产的理想区域。本研究综合运用微生物纯培养、16S rRNA基因序列分析、平板计数法、BIOLOG碳素利用法、Illumina Miseq高通量测序等技术，全面揭示涛源稻田土壤微生物多样性特征，评价其在水稻高产形成中的生态功能，探索水稻高产成因。结果显示，物种多样性方面，高产水稻根际微生物总量接近对照2倍，群落组成表现为细菌＞放线菌＞真菌，高产水稻根际微生物数量丰富，结构上属于健康的“细菌型”土壤。功能多样性方面，高产水稻根际微生物群落分布均匀，多样性较高，代谢能力强，能够利用的碳源种类丰富。分蘖期是高产水稻生长的关键时期，此时根际微生物代谢能力强、代谢类型多是高产水稻旺盛生长和高产形成的关键所在。遗传多样性方面，高产水稻古菌和细菌多样性均较为丰富，且随水稻生育期呈周期性的变化规律，苗期细菌多样性程度最高，成熟期古菌多样性程度最高；群落组成方面，高产水稻根际古菌优势菌群为SCG纲、MCG纲和甲烷八叠球菌目（Methanosarcinales），细菌优势菌群为拟杆菌门（Bacteroidetes）和绿弯菌门（Chloroflexi）。纯培养结果显示，高产水稻根际可培养细菌种类丰富，124株细菌分属6大类群的31个属，厚壁菌门（Firmicutes）和放线菌门（Actinobacteria）是高产水稻根际可培养细菌的绝对优势类群，除发现常见的对作物生长有积极作用的固氮菌属（Azotobacter）和根瘤菌属（Rhizobium）外，还在高产生态区发现稻田中较少见的具有聚磷作用的盐单胞菌属（Halomonas）和具有异养硝化-好氧反硝化作用的副球菌属（Paracoccus）。此外，通过多相分类研究，确认一株革兰氏阴性、好氧、运动、杆状细菌YN2-31AT为沙单胞菌属（Arenimonas）的一个新物种，命名为涛源沙单胞菌（A. taoyuanensis sp. nov.）。最后，通过PCA分析发现水稻结实率、千粒重与有效磷含量、胡敏素、富里酸以及细菌多样性具有相关性，有效穗数、有效产量、库容量与细菌均一性、总氮、总磷以及有机质含量具有相关性，证明细菌不仅是高产水稻根际重要的微生物组成部分，其多样性还是影响水稻产量的重要因素。本研究成果不仅从土壤微生物多样性角度完善了水稻高产理论，还为将来土壤定向培育和土壤改良储备了宝贵的菌种资源。