枯草芽孢杆菌在高羊茅适应低氮胁迫中的作用研究

The uptake and transport of nitrogen plays a vital role in nutrient-poor resistance of plants in southern karst areas of China. However, increasing application of nitrogen fertilizer on the soil causes serious environmental pollution problem. Plant growth promoting rhizobacteria could improve stress resistance in plants and avoid from environmental contamination. In this project, taking the tall fescue which is bred in native and the bacillus subtilis GB03 which is friendly to environment as materials, the following experiments would be done, under nitrogen deficiency stress: researching the effect of GB03 on seed germination, plant growth as well as uptake and spatial distribution of nutrient elements in plant; analyzing the role of GB03 in changes of hormone content, enzymatic activity and photosynthesis in plant; cloning the full-length genes encoding the nitrate transporter FaNRT1 and K+ channel FaAKT1 from tall fescue and quantitative analyzing the effect of GB03 on their transcript abundance, and therefore, reveal the important physiological and molecular regulatory mechanism of bacillus subtilis GB03 in the nutrient-poor resistance in tall fescue.

植物对氮素的吸收转运在我国南方岩溶地区植物适应营养贫瘠逆境中发挥着重要作用。然而增施氮肥通常对环境造成严重污染。植物根际有益促生菌可通过提高植物的抗逆性对植物产生促生作用，且不造成环境污染。鉴于此，本项目拟以本土选育的高羊茅及与环境友好的微生物资源枯草芽孢杆菌GB03为材料，首先研究GB03对低氮胁迫下，高羊茅种子萌发、植株生长及其体内营养元素吸收和分配的影响；再解析GB03对低氮胁迫下，高羊茅体内激素含量、酶活性及光合作用的调控；最后通过进一步克隆高羊茅NO3-转运蛋白FaNRT1和K+吸收转运通道FaAKT1基因，并系统分析低氮胁迫下GB03对其表达模式的影响。以期解析枯草芽孢杆菌对高羊茅抗低氮胁迫的生理及分子的调控机制。

枯草芽孢杆菌GB03作为植物根际促生菌，通过参与细胞壁修复、初生和次生代谢、光合作用、抗逆性响应、铁营养代谢等过程，促进植物的生长发育。其中，关于其提高植物抗逆性的研究较少（主要以抗旱耐盐性为主），特别是针对氮亏缺胁迫下促生机制的研究尚未见报道。针对这一问题，本项目解析了枯草芽孢杆菌GB03提高禾本科高羊茅氮亏缺适应性的生理及分子机制，并取得了以下主要进展和成果：（1）对比分析了不同胁迫处理下GB03对单子叶禾本科高羊茅及双子叶豆科光叶紫花苕种子萌发的影响，发现其对植物种子萌发的促生作用具有一定的广普性；（2）发现GB03通过刺激高羊茅体内IAA、叶绿素含量的增加，抑制ABA和CK的合成，及提高SOD和POD活性的生理作用机制，达到对植物的促生作用，特别是提高植物抵御低氮胁迫的能力；（3）发现GB03通过参与高羊茅体内营养元素N、P和K+的吸收及再分配，调节植物对氮亏缺胁迫的适应性；其中，对各营养元素的影响程度依次为：N > K+ > P；（4）从高羊茅中克隆并鉴定了NO3-转运蛋白基因FaNRT1.5、内整流K+通道蛋白基因FaAKT1、高亲和性K+转运蛋白基因FaHKT4和外整流K+通道蛋白基因FaKOR1；（5）通过研究不同浓度NO3-处理下，上述4个基因的表达模式，发现GB03通过提高FaNRT1.5、FaAKT1的表达水平来促进低氮胁迫下高羊茅对营养元素N和K+在根系的吸收，同时，降低FaHKT4和FaKOR1的表达水平来加强营养元素N和K+在植物地上部的积累，从而进一步揭示了GB03增强高羊茅耐氮营养贫瘠的分子作用机制。