条锈菌侵染后小麦根部微生物群落结构和功能的研究

Plants are able to recruit beneficial microorganisms when they upon pathogen attack. These microorganisms can produce antibiotics or induce systemic resistance to protect plants. While there is no research reports about the variation of community functions of microbes of plant suffered from pathogen attack at present. We focus on the changes of functional genes, especially these secondary metabolites biosynthesis genes in this study. On the basis of the previous research, the metagenome of microbiota in the rhizosphere of wheat (normal and Puccinia striiformis f. sp. tritici Infected) will be sequenced to explore the changes of community structure, genes function, metabolic network and so on. Furthermore, we also expect to discover new functional genes and gene clusters through further analyzing the data and provide resources for discovering new natural products. Meanwhile, the microbes in the endosphere and rhizosphere of wheat roots (normal and Puccinia striiformis f. sp. tritici Infected) will be isolated and identified by culture dependent method and the study of activity test in vitro will be compared. And then, we will screen and isolate new compounds from the recruited microbes presenting antibacterial activity and look forward to obtaining bioactive compounds with novel structures and strong antibacterial activities.

当受到病原菌侵染时，植物会招募有益微生物，这些微生物通过产生抗生素或诱导植物系统抗性等为植物提供保护。而目前还没有关于植物受到病原菌侵染后微生物群落功能变化的研究报道。本研究以条锈菌侵染后小麦根际微生物功能基因的变化为主要关注点，尤其是次级代谢产物生物合成相关基因的变化。在前期研究基础上，采用宏基因组测序技术对条锈菌侵染的小麦植株以及未被侵染的小麦植株的根际微生物进行研究，探讨小麦被条锈菌侵染后根际微生物群落结构、基因功能以及代谢网络等的变化;并通过进一步分析，以期发现新的功能基因、基因簇，为新的天然活性物质的发现提供资源。同时结合纯培养技术对条锈菌侵染的小麦植株以及未被侵染的小麦植株的根际、根内微生物进行分离鉴定，并对得到的可培养菌株进行体外活性试验的比较研究，对被招募到小麦根部有活性的微生物进行新化合物的筛选、分离鉴定，以期获得活性优越、具有新结构特征的天然产物。

植物根部微生物被称为植物的第二基因组，这些微生物的结构、丰度和功能与植物保护关系密切。当受到病害攻击时，植物会招募有益微生物，这些微生物通过产生抗生素或诱导植物防御等为植物提供保护。本研究以条锈菌侵染后小麦根际微生物为研究对象，采用宏基因组测序技术明确条锈菌侵染后根际微生物群落结构及功能的变化。结果发现条锈菌侵染后小麦根际微生物群落结构及功能基因均发生了显著变化，变形菌门、酸杆菌门、疣微菌门、芽单胞菌门、浮霉菌门、硝化螺旋菌门等明显增加；碳水化合物结合模块、多糖裂解酶、辅助酶类明显增加；能量生产和转换、胞外结构、信号转导机制、次级代谢产物生物合成和运输及分解代谢相关基因数量明显增加，均高于未接病组。采用专用培养基共分离不同菌株578株。通过活性研究目前共分离得到22个化合物，其中7个为新化合物，1个新化合物Zincophorin类似物具有较强的抗肿瘤活性，1个已知化合物放线菌素D首次报道具有很强的抗青枯活性，可以用于番茄青枯病的防治。同时鉴定新种放线菌10株。以上研究说明植物受到病原菌侵染后微生物群落结构，功能基因发生改变，次级代谢产物生物合成和运输及分解代谢相关基因数量明显增加。本研究为后续功能基因的挖掘，微生物资源的开发提供了重要的参考价值。本研究共发表SCI文章16篇，申请发明专利4项。