基于黄腐酸介导的大豆-根际微生物互作机制研究

The plant-microbiome interactions play significant roles in growth, stress resistance and nutrients availability of host plants. Therefore, the studies on mechanisms of such interactions have important theoretical significance and practical value. Fulvic acid (FA), a substance rich in coal, is a natural plant growth regulator that can promote crop growth, improve crop quality and regulate the structure of microbes associated with plant, which provide a novel idea for researching the interaction between plant and microbiota. In the present study, soybean will be selected as model plant and treated with or without FA. Subsequently, the effects of FA on soybean root exudates and metabolic processes of root will be analyzed by HPLC, GC-MS and transcriptomic analysis. Based on the results of 16S rRNA gene sequencing, the effects of FA on shifting the community structures of plant endophytes, nodule endophytes and rhizosphere microorganisms will be discussed. Moreover, metatranscriptomic analysis will be employed to observe the changes of ecological functions of rhizosphere microorganisms. Such analyses will help to clarify the compositions of microbial communities of different plant microenvironments and the dynamic response progress between rhizosphere microorganisms and plant metabolic activity mediated by FA. Eventually, the interaction mechanism between soybean and rhizosphere microbes will be unraveled. In addition, these results may offer new perspective for researching plant-microbiome system, contribute to the application of plant growth promoting microbes and FA in green agriculture, as well as the development of agricultural sustainability and construction of ecological civilization.

植物-微生物互作显著影响宿主植物的生长、抗逆性及其对营养的吸收和利用，研究植物-微生物互作机制具有重要的理论意义和应用价值。黄腐酸作为天然植物生长调节剂能促进植物生长、改善作物品质并调节植物微生物群落结构，其多重功能为研究植物与微生物互作机制提供了崭新的思路。本项目拟以大豆为实验材料，采用HPLC、GC-MS和转录组学技术分析黄腐酸对大豆根系分泌物和根部代谢过程的影响；利用16S rRNA基因高通量测序和宏转录组学技术分析黄腐酸对大豆和根瘤内生菌、根际微生物群落结构以及根际微生物生态功能的调控。预期研究结果将探明黄腐酸影响下植物各部位微生物群落结构组成，以及根际微生物生态功能与植物代谢活动的动态响应过程，进而揭示黄腐酸介导的大豆与其根际微生物之间的互作机制。为深入研究植物-微生物互作提供新的视角，并推动黄腐酸和植物促生微生物资源在农业绿色化进程中的应用，以及农业可持续发展和生态文明建设。

植物-微生物互作显著影响宿主植物的生长、抗逆及其对营养的吸收和利用，研究植物-微生物互作机制对于开发基于微生物群落的可持续作物生产系统具有重要意义。黄腐酸作为天然植物生长调节剂能促进植物生长、改善作物品质并调节植物微生物群落结构，其多重功能可作为研究植物与微生物互作机制的重要手段。本项目以大豆为实验材料，首先结合GC-MS和16S rRNA基因高通量测序技术发现，黄腐酸能够引起大豆根系分泌物的改变，显著促进黄酮类物质染料木素和大豆苷的分泌，同时显著影响了大豆根际和内生微生物的群落结构和组成，使根际有益菌Variovorax，Rhizobacter，Massilia，Methylotenera的丰度显著上升，而且黄腐酸处理使大豆苗期根际细菌总丰度显著增加。此外，黄腐酸处理后同样使大豆内生有益菌Pseudomonas、Sphingobium、Comamona、Stenotrophomona、Flavobacterium及Ensifer的丰度增加，同时增强了大豆从苗期到开花期的微生物之间的互作关系，使群落结构更加稳定。大豆内生菌网络节点的关键微生物在黄腐酸处理后由放线菌门转变为变形菌门，其中Sphingobium和Pseudomonas分别为大豆苗期和开花期促进大豆生长结瘤的关键内生菌。为了进一步从全生物(Holobiont)角度解析大豆与其微生物组的互作机制，我们对苗期大豆进行了转录组测序，并发现黄腐酸主要调控了植物感知外界环境和微生物从而触发免疫反应的一些途径，主要为Plant hormone signal transduction，MAPK signaling pathway-plant以及Plant-pathogen interaction代谢途径，同时发现EIN2介导的乙烯信号途径是黄腐酸调控大豆共生结瘤的关键分子机制。通过与内生菌群落动态的联合分析，首次发现了引起宿主遗传响应的关键微生物Sphingobium，并通过菌株分离和回接验证证明了Sphingobium通过降低大豆乙烯的释放调控结瘤基因的表达，参与了大豆的生长和共生结瘤调控。本项目以植物生长调节剂黄腐酸为介导，解析了根系分泌物-宿主微生物群落组成-宿主遗传效应之间的相互关系，从全生物的角度揭示了植物代谢与其微生物组之间的动态反馈调控机制，为深入探索植物-微生物互作机制提供了新的视野。