根系分泌物促进尖孢镰刀菌生长及西瓜枯萎病发病的氮素营养调控机制

Watermelon Fusarium wilt caused by Fusarium oxysporum f. sp. niveum is a common destructive soil-borne disease. Root exudates play a paramount role in plant disease occurrence. Heavy or excessive nitrogen fertilizer application could promote the plant growth, which may increase the secretion of root exudates and hence influence the plant disease indirectly. Here, we would like to investigate the mechanism of root exudates in stimulating the growth of Fusarium oxysporum and plant disease degree. First, by inoculation of Fusarium oxysporum in soil, the effect of different root exudates on the growth of this pathogen will be studied and the root exudates which could stimulate the growth of Fusarium oxysporum will be selected and used for further experiment. Furthermore, DNA-based stable isotope probing technique (DNA-SIP) will be used in this microcosm experiment (under no-plant condition) and the effects of the selected typical root exudates on the abundance of Fusarium oxysporum and the “active” microbiome under normal nitroge fertilizer application versus no or excessive nitrogen fertilizer application condition will be studied. Moreover, the DNA-SIP technique will still be used in this pot experiment (under watermelon planting condition) and the effects of the typical root exudates on the abundance of Fusarium oxysporum, the “active” microbiome, and the plant disease under the above mentioned nitrogen fertilizer application conditions will be studied. Overall, this project intends to uncover the mechanisms of nitrogen in regulating the stimulation effect of root exudate on the pathogen growth and the plant disease.

西瓜枯萎病是由西瓜专化型尖孢镰刀菌引起的一种毁灭性土传病害。根系分泌物对病害的发生具有重要作用，大量或过量氮肥可能促进植物生长，加剧植物分泌根系分泌物，间接影响病害发生。本项目拟研究氮素失衡条件下，根系分泌物刺激尖孢镰刀菌生长和西瓜枯萎病发病机制。采用尖孢镰刀菌接种健康土壤并通过室内微宇宙培养，研究不同根系分泌物对病原菌的促进作用，明确刺激尖孢镰刀菌快速生长的特征根系分泌物；进一步利用稳定性同位素13C-根系分泌物示踪微生物DNA技术，研究常规施氮肥和氮素失衡（不施氮肥或过量施氮肥）条件下，根系分泌物对病原菌和“活性”微生物菌群的影响；同时设置西瓜温室盆栽试验，通过接种病原菌并采用13C-根系分泌物示踪技术，研究常规施氮肥和氮素失衡条件下，根系分泌物对病原菌、根际“活性”微生物菌群、植物发病的影响，以揭示根系分泌物促进病原菌生长和西瓜枯萎病发病的氮素营养调控机制。

枯萎病是一种由尖孢镰刀菌引起的毁灭性土传病害。根系分泌物是根际土壤与植物相互交流的媒介，对病害发生具有重要作用。在根际土壤中，病原菌生活在多种微生物共存并强烈相互作用的环境中，其生长繁殖与其他微生物密切相关。因此，研究根系分泌物与病原菌的关系以及病原菌与其他微生物的关系对解析枯萎病发生机制具有重要意义。此外，氮素水平可能通过调控根系分泌物而间接影响枯萎病菌的生长。基于此，本研究首先探讨了采用qPCR方法测定枯萎病菌、细菌、真菌丰度时DNA模板的最适浓度；然后以糖类根系分泌物为代表，研究了其对病原菌生长、真菌和细菌群落结构的影响，并且从真菌菌群间相互作用角度揭示了糖类根系分泌物作用下枯萎病菌快速增殖的机制；最后研究了糖影响病原菌生长过程中氮的调节作用。主要结果如下：.（1）采用qPCR方法测定细菌和真菌丰度时，DNA模板浓度的最适范围为1-15 ng μL-1；采用qPCR方法测定枯萎病菌丰度时，DNA模板浓度的最适范围为1->100 ng μL-1。（2）在42天培养过程中，虽然枯萎病菌生活在多种微生物共存的土壤环境中，当加入糖后该病原菌能够快速生长。糖的加入增加了真菌和细菌的丰度，降低了真菌和细菌的丰富度，改变了真菌和细菌的群落结构，提高了微生物活性。在低浓度病原菌土壤中，枯萎病菌数量与真菌的丰富度呈负相关，而与真菌的均匀度呈正相关；在高浓度病原菌土壤中，枯萎病菌数量与真菌的丰富度和均匀度均呈负相关。糖类根系分泌物作用下，腐质霉属的OTU600和芽孢杆菌属的生长速度在特定时间点超过了枯萎病菌，是以竞争营养方式控制枯萎病菌的潜在生防菌。（3）糖增加了真菌网络和细菌网络中菌群的相互作用，真菌网络中的关键物种与枯萎病菌之间的正相互作用或无相互作用，可能是糖类根系分泌物作用下枯萎病菌快速生长的重要原因之一。（4）氮素进一步增强了糖对微生物活性、枯萎病菌和真菌数量的促进作用。本研究为从微生物相互作用角度揭示病害发生机制提供理论依据。