基于植物根际促生菌（PGPR）的紫茎泽兰入侵机制研究

Ageretina adenophora ranks no. 1 in the 16 exotic invasion plant species listed by National Environmental Protection Agency of China. Study on microbiological mechanism of A. adenophora invasion has been the hot spot in the research field. It has been shown that, once invades a new area, A. adenophora changes the composition and function of its rhizosphere microbiome through allelopathy of the chemicals secreted by its roots, enriching plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) involving in nitrogen-fixation, ammonia oxidation, antibiosis, IAA production and vesicalar-arbuscular formation, which promotes soil biogeochemical cycles, improves soil nutritional condition, thus promotes growth of itself. However, the mechanism involving the enrichment of these PGPR is still poorly understood. In this project, based on previous study on the composition and function of rhizosphere microbiome of A. adenophora, the applicant proposed 3 possible ways the rhizosphere PGPR could be enriched allelophathically and will isolate and screen PGPR bacterial and fungal strains from A. adenophora’s rhizosphere, and study their roles in promoting host growth. Then the applicant will investigate the effect of A. adenophora’s root extracts taken at early growth, exuberant phase and flowering phase at 10, 15 and 20°C to understand the mechanism A. adnophora used to enrich its rhizosphere PGPR and further clarify the microbiological mechanism of A. adnophora’s invasion. The study not only will provide theoretical knowledge to control A. adenophora’s spread but also add up to the national seed bank of PGPR.

紫茎泽兰在国家环保总局确定的最重要的16种外来入侵生物中名列首位，紫茎泽兰入侵的微生物学机制一直是研究的热点。一旦侵入新的环境，紫茎泽兰通过其根系分泌化感物质改变根际土壤微生物群落的结构和功能，富集参与固氮、氨氧化、抗生作用、产植物生长素、形成丛枝菌根等功能的植物根际促生菌（PGPR），促进土壤生物地化循环，改善土壤营养条件，从而促进自身的生长。但是，目前对紫茎泽兰在其根际富集PGPR的机理还缺乏了解，申请人在前期研究的基础上，提出了紫茎泽兰在其根际富集PGPR的三种方式，拟首先分离筛选紫茎泽兰根际PGPR细菌和真菌，掌握它们的植物促生机理，然后研究不同温度条件下紫茎泽兰生长初期、茂盛期和花期的根系提取物对其根际PGPR菌株生长的影响机制，了解紫茎泽兰根际PGPR的富集机理，进一步阐明紫茎泽兰入侵的微生物学机制，为遏制紫茎泽兰的扩散提供理论基础，同时丰富我国植物根际促生菌菌株的种质资源库。

富集根际促生菌（PGPR）是紫茎泽兰入侵微生物学机制的核心内容，目前对紫茎泽兰在其根际富集PGPR菌群的机制还缺乏了解。本项目在分析了紫茎泽兰根际土壤物理化学特征的基础上，采用纯培养和宏转录组方法相结合，研究了不同地理种群紫茎泽兰根际PGPR的分布特征，PGPR种质资源的组成及其促生机理，土壤pH对紫茎泽兰根际微生物群落组成和多样性的影响机制。取得以下主要研究结果。. 紫茎泽兰根际土壤微生物群落的组成、多样性和活性与本土植物根际微生物群落存在显著差异。紫茎泽兰根际土壤微生物群落功能基因，包括细胞壁以及细胞膜合成基因、氨基酸转运和代谢基因、能量产生和转化基因、碳水化合物转运和代谢基因表达水平均高于本土植物，紫茎泽兰根际土壤微生物群落的活性高于本土对照植物，在紫茎泽兰入侵和生长过程中起重要作用。控制紫茎泽兰根际土壤微生物的活性是潜在的抑制紫茎泽兰入侵和生长的手段之一。.紫茎泽兰根际土壤含有丰富的PGPR种质资源。从三个植被区27个植物根际土壤样品中分离出546株具有固氮、产生IAA、合成铁载体、合成ACC脱氨酶、产生氰酸、溶磷或溶钾能力的PGPR菌株。PGPR细菌在紫茎泽兰根际土壤的富集度与土壤总碳、总氮和氨态氮水平呈正相关，与植物种类无关。课题组选择了具有较高的固氮潜力、产生IAA以及合成ACC脱氨酶的9株细菌，采用实验室光照箱和温室大棚分别研究了这些PGPR组合对玉米、蚕豆、黄豆、豌豆、油菜、小麦发芽和生长的影响，发现三种PGPR细菌组合在不同程度上增加这些经济作物的发芽率（3.3-43.3%），减少了发芽时间（3.8-48.2%），增加了株高（3.6-23.1%）和干重（3.8-33.5%）、根长（3.9-31.4%）、根干重（2.5-24.7%）以及种子产量（0.2-18.3%），具有潜在的实用价值。. 土壤pH极大的影响了紫茎泽兰根际土壤细菌和真菌群落的组成和多样性。丛枝菌功能型在pH 7土壤种植的紫茎泽兰根际土壤中的丰度（9.1%）高于为pH 5（4.6%）以及pH 9（2.6%）种植的紫茎泽兰根际土壤，中性土壤利于丛枝菌的生长和活性，土壤pH是影响紫茎泽兰入侵的重要因素。