红壤丘陵区野葛-根瘤菌共生体分布格局、遗传进化及其影响因素

Soil degradation is serious, and application of chemical nitrogen fertilizers is an important technique to increase crop production in southern red soil hilly region. Excess nitrogen supply has also resulted in global warming, soil acidification and environmental pollution, and then biological nitrogen fixation will be a good choice to minimize the use of fertilizers and to develop sustainable agriculture. Previous studies have found the mutualistic symbiosis between rhizobium and Kudzu (Pueraria montana var. lobata) with great genetic diversity and high nitrogen fixation capacity, however, the phylogeography and genetic evolution of rhizobium associated with kudzu remains poorly understood. In this study, widely distributed Kudzu-rhizobium symbionts will be chosen, to study the genetic diversity, population composition and nitrogen fixation capacity of them by molecular techniques and acetylene reduction assay. Moreover, typical rhizobial strains will be selected, to study the genetic evolution of kudzu rhizobium by analyzing differentiation of core genes and symbiotic genes. Furthermore, soil properties will be measured, to study the relationships of soil environment, biogeography and genetic evolution of the symbiont, and to find out the main factors in determining biogeography and evolution. The obtained results will be useful for the understanding of legume-rhizobium symbiosis, and it is of great significance to sustainable agriculture and ecological restoration in southern red soil hilly region.

南方红壤丘陵区土壤质量退化严重，农业生产过度依赖氮肥加剧温室效应、土壤酸化和环境污染，充分发挥生物固氮作用对农业可持续发展具有重要意义。野葛-根瘤菌共生体是高效固氮体系之一，然而对其生物地理分布格局及遗传进化机制缺乏深入的研究。本项目以红壤丘陵区野葛-根瘤菌共生体为研究对象，拟采用分子生物学方法和乙炔还原法等，研究野葛根瘤菌的种群结构、遗传多样性及共生体固氮能力，阐明野葛-根瘤菌共生体的区域分布格局；通过对核心基因和共生基因的分子进化学分析，揭示野葛根瘤菌的遗传进化特征；采用多元统计分析方法，研究共生体分布格局、遗传进化与土壤环境的关系，明晰影响野葛-根瘤菌共生体生物地理学分布和遗传进化的主要因素。研究结果不仅可以丰富对豆科植物-根瘤菌共生关系的认识，同时对红壤丘陵区农业可持续发展及生态恢复具有重要意义。

南方红壤丘陵区土壤质量退化严重，农业生产过度依赖氮肥加剧温室效应、土壤酸化和环境污染，充分发挥生物固氮作用对农业可持续发展具有重要意义。野葛-根瘤菌共生体是高效固氮体系之一，然而对其生物地理分布格局及遗传进化机制缺乏深入的研究。本研究在野葛资源丰富、典型的红壤区（广西、湖南、江西）选择16个样点采集野葛根际土壤和根瘤样品，通过rpoB基因高通量测序、16S rDNA基因、共生基因（nodA、nifH）及核心基因（thrA、SMc00019、truA）测序分别对根际根瘤菌群落和根瘤内共生根瘤菌群落的种群分布格局进行了研究，同时测定了根瘤固氮酶活性，并结合地理、气候、土壤因子对影响根瘤菌种群分布格局和固氮效率的主要因素进行了分析，主要研究结论如下：（1）不同采样区野葛根际根瘤菌群落均匀度和α多样性差异不显著，江西采样区根瘤菌群落物种丰富度显著高于广西、湖南采样区。（2）野葛根际根瘤菌群落结构和组成具有明显的生物地理学分布特征；但野葛共生根瘤菌没有表现明显的生物地理学分布格局。（3）Bradyrhizobium是野葛根际优势根瘤菌，江西采样区B.erythrophlei为优势种，且其相对丰度显著高于其它采样区；广西采样区B.diazoefficiens为优势种，且其相对丰度显著高于其它采样区；湖南采样区B.erythrophlei和B.diazoefficiens为优势种。野葛共生根瘤菌均为Bradyrhizobium，包括B.diazoefficiens，B.erythrophlei和B.lablabi等种。（4）地理、气候和土壤因子共同影响野葛根际根瘤菌群落种群分布格局，地理距离和pH、交换性Ca是造成广西与湖南、江西两个采样区野葛根际根瘤菌群落差异的主要因素。湖南、江西采样区同为酸性红壤，降雨和土壤全钾含量是影响其根瘤菌群落差异的主要因素。野葛共生根瘤菌群落受地域、气候因子影响较小，主要受制于宿主的选择性。（5）江西采样区野葛根瘤固氮酶活性显著高于广西和湖南采样区；固氮酶活性与共生根瘤菌种类和土壤pH、交换性Ca含量密切相关。该研究结果不仅可以丰富对豆科植物-根瘤菌共生关系的认识，同时对红壤丘陵区农业可持续发展及生态恢复具有重要意义。