民勤荒漠植物联合细菌空间分布格局及其与植物互作机制研究

In this study, the scientific problem that interaction mechanism between plant-associated bacteria and the desert plants will be combined with the western ecological environment construction, and Minqin county in Gansu province is selected as our research area because it is the most typical drought and desertification area in China. Firstly, the bacteria associated with the desert plants in Minqin will be investigated systematically and in-depth studied by a cultivation-dependent approach and high-throughput sequencing techniques. We analyze and compare the genetic diversity, community structure, quantities and characteristics of bacteria from different levels (including different dunes, different plant species and different microhabitats) so that we can systematically illustrate the spacial distribution pattern of plant-associated bacteria and the relationship among bacteria, soil and environment. Secondly, some strains with drought and saline-alkali tolerance will be screened on the basis of researching their functional diversity, and inoculated back to its host in order to validate functions. The colonization pattern and interaction mechanism between desert plant-associated bacteria and host will be revealed by application of molecular biology technique, physiological and biochemical method, and metabonomics method. The results of this study will be essential not only for understanding their ecological roles and the interaction with plants, but also for revealing some phenomena and relationships among plant, microorganism and environment, especially be very important to remain biology diversity of micro-ecology system and desertification control for Minqin and other regions.

微生物与植物之间的相互关系和协同进化是自然生态系统中重要的科学问题之一。本项目将植物联合细菌与植物抗逆性之间的关系及作用机制这一科学问题与西部生态环境建设相结合，以我国最典型的干旱荒漠化区域-民勤的优势荒漠植物为研究对象，1)将高通量测序技术和经典的分离培养方法结合起来，从不同层次分析不同类型沙地（固定、半固定、流动沙地）、不同植物、不同微生境(裸地、根际土壤、根内、叶内）中细菌的遗传多样性及菌群结构变化特征，系统阐述荒漠植物联合细菌的空间分布特征及其与环境之间的关系；2)在功能多样性研究的基础上，筛选出抗旱耐盐促生长的菌株，应用分子生物学方法、生理生化和代谢组学方法研究植物联合细菌与荒漠植物抗逆性之间的关系；揭示其定殖模式及作用机制。研究成果将为极端环境条件下微生物生态学和资源微生物的研究提供依据，更对保持或恢复荒漠植物微生态系统的生物多样性和生态平衡以及荒漠化治理具有重要的意义。

本项目将植物联合细菌与植物抗逆性之间的关系及其作用机制这一科学问题与西部生态环境建设相结合，以我国典型的干旱荒漠化区域-民勤的优势荒漠植物为研究对象:1)应用高通量测序技术和经典的分离培养方法，从不同层次系统阐述了荒漠植物联合细菌的空间分布特征及其与环境之间的关系。发现是否有植物存在是造成土壤细菌群落结构差异的主要因素。固定沙地可培养土壤细菌菌群浓度最高，流动沙地最低。遗传多样性则呈现出流动沙地>固定沙地>半固定沙地的分布规律。2) 通过分离培养方法建立了干旱荒漠地区植物联合细菌的菌种资源库，并对每株菌的功能特性进行测定，筛选出多株具有植物促生功能、抗旱、耐盐的多功能菌株。3）通过平板共培养或盆栽接菌试验，发现荒漠植物联合细菌能显著促进拟南芥、小叶锦鸡儿、玉米等植物在正常含水量和干旱胁迫、盐胁迫下的生长发育，提高生物量，增强植物在逆境胁迫下的适应能力。4）应用分子生物学方法、生理生化、代谢组学和微生物组学研究技术系统阐释了植物联合细菌与植物抗逆性之间的关系及其作用机制。发现接种Sphingomonas sp. Hbc-6后，无论是正常含水量还是干旱胁迫下，根际土壤中细菌的OTU和多样性明显高于未接菌组，Sphingomonas的丰度在整个植物生长周期中呈现出先降后升的变化趋势，甚至在生长后期干旱胁迫下的丰度比正常含水量下更高。这与之前监测的植物生长趋势、生物量变化趋势也一致。说明菌株一方面通过提高丰度、富集有益菌群促进植物的生长，另一方面通过诱导一些次生代谢物如白藜芦醇、提高抗氧化物酶活性来提高植株的抗氧化能力，同时降低丙二醛含量和电导率以缓解在逆境胁迫下所受到的损伤。从而从多个方面协同提高植物的抗逆性。研究成果为微生物生态学和资源微生物的研究提供理论依据和菌种资源，对保持或恢复荒漠植物微生态系统的生物多样性和生态平衡具有重要意义，更为荒漠化治理和农作物产量提高以及品质改善提供了更广的研究思路和调控手段。