根际解磷菌促进小麦根系发育和磷素吸收的分子机理

The rhizosophere ecosystem composited by Plant-Soil-Microbes-Environment is the frontier of multiple scientific fields. The interactions between plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) and plants are the hot and hard point in this field. In this research, strain Pseudomonas fluorescens P1616, which has affinity to wheat, dessolves phosphorous and promote wheat growth, will be inoculated to wheat roots both in liquid and soil box. Colonization dynamics of PGPR on wheat roots will be detected by lux AB and RT-PCR techniques. Genes related to root development will be detected, and root parameters will be determined. The results will reveal the mechanism of phosphate-solubilizing rhizobacteria regulating wheat root development and explain the promotion effects of PGPR to the uptake of unsolved phosphorous by wheat roots on the base of molecular biology. This research will finally reveal the interactions of plant-microbes, help the study of PGPR functions, benefit the regulation of rhizosphere of crops, enhance utilization rate of soil nutients, decrease chemical fertilizer dosage, and is of advantage to both theoretical study and application value.

植物-土壤-微生物-环境构成的根际生态系统是多学科交叉研究前沿。根际促生微生物(PGPR)与植物相互作用是研究热点和难点。本课题选择对小麦具特异亲和性、溶磷、促生的假单胞菌P1616菌株与小麦组成亲和配对，采用水培和土壤原位根盒培养小麦，组合luxAB基因标记、实时荧光定量PCR等技术检测PGPR菌株在小麦根表的定殖，检测小麦根系发育相关基因的表达强度，测定小麦的根系参数，揭示根际解磷菌促进小麦根系发育的机理，阐明P1616菌株促进小麦利用土壤难溶态磷素养分的作用机制。研究结果将揭示植物-根际微生物互作分子机理，指导研发功能PGPR菌株，以进行作物根际调控、提高土壤养分利用率、降低化肥用量，具有重要的理论意义和实际价值。

微生物与植物之间存在复杂的相互关系，由于多种原因，对根际生态系统中植物-根际促生菌（PGPR）相互关系的机理研究进展缓慢，导致PGPR的研究和应用处于徘徊之中。本项目选择对小麦具有特异亲和性、溶磷、促生的假单胞菌P34、WS32菌株和芽孢杆菌P1616菌株与小麦组成亲和配对, 研究PGPR菌株与小麦根部相关基因表达、根系形态发育、小麦磷素吸收之间的关联，在多层次上研究小麦PGPR菌株与小麦的相互关系，揭示根际解磷菌促进小麦根系发育的机理, 阐明解磷菌株促进小麦利用土壤难溶态磷素养分的作用机制。本研究采用luxAB基因为报告基因，标记这些菌株，追踪其在小麦根际的定殖动态，发现这些亲和性菌株可在小麦根际长期存活定居，发挥促生功效；采用FISH技术检测细菌在小麦根表的定殖情况，发现大量菌体吸附在小麦根表和根毛部位，直接证明目的菌株可在小麦根表定殖。分别采用水培、土壤原位根盒、盆栽等方式培养小麦，发现解磷菌株可显著促进小麦的生长、根系发育、磷素吸收及土壤难溶态磷的转化。分别通过高效液相色谱法和磷酸苯二钠法测定菌株有机酸分泌种类、含量及磷酸酶活性，证明解磷菌株通过产生草酸、酒石酸、苹果酸、柠檬酸、乳酸、乙酸等多种有机酸将难溶态无机磷溶解为可溶态磷，通过分泌磷酸酶将难溶性有机磷降解为可溶性磷。采用实时荧光定量PCR技术测定根际亲和性高效解磷菌对小麦生长、根系发育及解磷相关基因的调控作用，发现这些菌株可显著促进小麦钙依赖型磷脂结合蛋白TaAnn1基因和钙依赖型生长素结合基因TaABP1的表达，并使小麦根部解磷基因TaPT4表达水平下调。解磷菌株通过调控小麦生长、根系发育及解磷相关基因表达促进小麦生长发育及磷素吸收。该研究结果在理论上阐述了植物－PGPR的相互作用机理，实践上为研发应用于该类作物的特异性高效PGPR制剂（生物肥料）提供理论指导和实验数据，实现调控植物营养、提高土壤养分利用率、减轻环境污染的目标，具有深远的生态意义和社会效益。