连作土壤上嫁接西瓜的根际微生物区系特征及其形成机理

Grafting has been one of the important techniques for suppressing soil-borne disease of watermelon, but the mechanism of which can still be enriched. In this program, we adopt field experiment, pot experiment, hydroponic experiments and laboratory analysis and employ isotope tracer technique, high-throughput sequencing (454 sequencing) technique, molecular biological methods and modern analytical tools to study 1) the root exudates characteristics of rootstocks, grafted watermelon and non-grafted watermelon and their effects on watermelon fusarium wilt pathogen, 2) the microbial community characteristics in grafted watermelon and non-grafted watermelon rhizosphere, 3) the responses of related antagonistic microorganisms to grafted watermelon or non-grafted watermelon rhizosphere, and 4) the responses of mainly beneficial microorganisms to grafted watermelon or non-grafted watermelon root exudates. This research will reveal many aspects of the interactions between grafted watermelon and the rhizospheric microbes, clarify the grafted watermelon rhizosphere microbial flora characteristics and its formation mechanism, and thus enrich the theory of soil-borne disease suppressing by grafting to provide a scientific basis for in depth guiding the prevention and control of soil-borne diseases.

嫁接技术已成为防控西瓜连作生物障碍的重要途径之一，但其防控连作生物障碍的机制研究仍有待深入。本项目以连作西瓜土壤上种植嫁接西瓜为研究对象，将田间试验、盆栽试验、水培试验和室内分析相结合，利用同位素示踪技术和高通量测序（454测序）技术的结合以及采用土壤生态分子生物学方法并辅以现代分析手段，研究嫁接砧木、嫁接西瓜和非嫁接西瓜根系分泌物的类型特征及其对病原菌的影响、嫁接西瓜和非嫁接西瓜根际微生物群落特征、相关拮抗微生物对嫁接西瓜和非嫁接西瓜根际的响应规律、嫁接西瓜或非嫁接西瓜根际优势有益微生物对其根系分泌物的响应，试图从"根际对话"角度来揭示嫁接西瓜与其根际微生物互作关系，阐明连作土壤嫁接西瓜根际微生物区系特征及其形成机理机制，以从根际微生物生态角度丰富嫁接植株抗病理论，从而为深入指导防控土传病害提供科学依据。

嫁接被广泛用于防控土传病害。然而，西瓜嫁接后根际化学环境与微生物群落之间的联系仍不清楚。本项目通过蛋白分离与鉴定、GC-MS等技术分析了嫁接对西瓜根系分泌物的影响，通过高通量测序技术解析了嫁接对西瓜根际微生物群落的影响，最后通过对应分析和室内实验初步分析了嫁接根际化学环境与微生物群落之间联系，主要结果如下：.1. 通过水培条件下收集了西瓜、以葫芦为砧木的嫁接西瓜和葫芦砧木的根系分泌物，粗分泌物经过超滤脱盐浓缩后通过聚丙烯酰胺凝胶电泳分离，并通过液质联仪鉴定条带中的蛋白，发现西瓜嫁接后根系分泌蛋白质谱发生了明显改变，嫁接西瓜的根系分泌蛋白多样性显著高于非嫁接和砧木。同时还鉴定到一些嫁接后出现的与生物非生物胁迫抗性有关的蛋白。通过HPLC和GC-MS分析发现，嫁接西瓜根际出现许多抑病物质，非嫁接西瓜根际有许多导病物质。嫁接可以改变根系分泌蛋白质谱，从而提高植物对逆境的抗性。嫁接西瓜根系分泌物的抗菌成分增多，在一定程度上提高了对病原菌的抵抗力。.2. 通过高通量测序分析了不同土壤类型上嫁接西瓜的根际微生物区系特征，发现相对嫁接西瓜而言，非嫁接西瓜反而能招募更多的传统意义上的有益微生物，如芽孢杆菌、类芽孢杆菌、等，然而，嫁接西瓜根系能维持更加多样化的微生物群落，使根际有更多的生态位重叠，从而有可能导致病原菌的入侵几率降低。.3. 通过对应分析发现，根际细菌α多样性与西瓜枯萎病发病率和根际病原菌数量均呈显著负相关。根际化学多样性不仅可以预测根际细菌α多样性，还能影响整个微生物群落的结构（β多样性）。西瓜嫁接后能显著增强根际化学物质的多样，同时提高根际微生物的多样性，从而增加对病原入侵的抵抗能力。.基于以上结果，项目初步提出，病原菌入侵须突破根际的两重屏障：一是生物屏障，由多样性高的细菌群落组成；另一个障碍是化学屏障，由根际沉积物中的一些抗真菌化合物组成。但是，双屏障理论还需更多试验和数据来直接进一步验证和丰富。