小麦-玉米轮作潮土根际细菌群体感应对农田地力的响应及调控途径

群体感应在细菌中调控了大量的生物学过程，但有关其在农田地力的响应及调控途径的研究鲜见报道。本项目利用河南封丘长期定位试验平台，研究小麦-玉米轮作潮土中根际细菌群体感应和种群结构对农田地力的响应及调控途径。首先，从浸提条件和检测方法两个方面建立和优化土壤细菌群体感应的原位定量研究体系，研究根际细菌群体感应对农田地力的响应；其次，采用传统可培养方法和现代分子生态学手段，在可培养、DNA和RNA水平上研究小麦-玉米轮作潮土根际细菌种群结构的分布和演替规律，并筛选AI-2型信号分子高产菌株；最后，利用同源重组技术构建LuxS基因缺陷型突变株，布置田间小麦-玉米轮作试验，探索根际细菌群体感应对农田地力的调控途径。通过本项目的研究，可以探索长期定位施肥小麦-玉米轮作潮土根际细菌群体感应及种群结构对农田地力的响应和调控途径，为我国旱作土壤地力提升及土壤质量健康的预测和评估提供理论基础和科学依据。

作为影响土壤质量及其可持续利用的农业措施，长期施肥对作物根际细菌种群、数量和活性产生的显著影响势必进一步影响到土壤结构、肥力和作物产量，这对农业的可持续发展具有重要的科学意义与指导价值。本项目利用河南封丘长期定位施肥平台，联合现代分子生物学技术以及土壤微生物研究方法，系统研究了长期定位施肥对潮土作物根际未培养及可培养细菌种群结构及演替规律的影响。研究结果表明：(1) 长期定位施肥处理对潮土养分含量有着显著的影响。外源有机质的长期投入能够显著增加潮土中土壤酶活性及有机质、微生物量碳含量、全N和有效P的含量。 (2) 外源有机质及化肥的长期投入是导致潮土未培养细菌群落结构发生变化的主要原因。施用有机肥处理可能定向选择了具有执行有机物分解功能的Firmicutes作为优势微生物菌群。此外，长期定位施肥对作物根际功能微生物种群的分布也有着显著影响。由此可见，平衡施肥对提升土壤质量，保障土壤健康可持续的利用有着一定的现实意义。(3) 长期定位施肥对作物根际土壤中可培养细菌的菌群分布及遗传多样性有着显著的影响，外源有机质的长期投入显著改变了潮土作物根际可培养细菌的菌群分布，在显著降低芽孢杆菌属菌株数量的同时显著增加了假单胞菌属的菌株数量，而缺P施肥则降低了潮土作物根际可培养优势菌群的菌株数量。此外，施用有机肥和P肥虽然可以促进作物根际可培养细菌数量的增加，却对增加可培养细菌的菌群种类并无明显的促进作用。(4) 本项目共分离得到569株细菌菌株，其中64%的菌株可产生AI-2型信号分子，2%的菌株可产生较高量的AI-2型信号分子。分离自春季、夏季和秋季的作物根际细菌产AI-2型信号分子的菌株比例依次增加，尤其是春季显著低于其他两个季节。由此可见，环境温度对产AI-2型信号分子的细菌菌株的检出率有着显著地影响。(5) 本项目对两株全新的细菌菌株NPK15 和OMN17的系统发育和分类地位进行了系统深入的鉴定，分别命名为Bacillus fengqiuensis和Lysinibacillus alkaliphilus。