分蘖洋葱伴生改变番茄根系分布的地下种间互作机理

Proper diversified plantation can effectively alleviate soil sickness. Our previous study found that companying Potato onion (Allium cepa var. agrogatum Don.) can promote the growth and induce changes in root distributions of tomato (Solanum lycopersicum L.). However, the mechanism involved is still unclear. This study will further (1) clarify the role of root exudates of Potato onion, changes in microbial communities and soil nutrients on the root distributions of tomato with an auger sampling method; (2) identify compounds in root exudates of Potato onion that influence the root distributions of tomato with HPLC-MS and quantitative PCR; (3) clarify differences in rhizosphere microbial communities between the two sides of tomato roots companied with or without Potato onion, isolate and identify microbes that change the root distributions of tomato with metagenomic sequencing, in vitro culture and quantitative PCR; (4) reveal the relationship between changes in soil nutrients induced by Potato onion and changes in root distributions of tomato with nutrient patch experiment. Overall, this project aimed to elucidate the belowground interspecific interactions involved in companying Potato onion change root distributions of tomato from the pespectives of root exudates, rhizosphere microbial communities and soil nutrients. Moreover, this study could provide theoretical foundation and technical support for the application of Potato onion/tomato intercropping system.

合理的多样性种植方式能有效缓解作物连作障碍。前期我们发现，分蘖洋葱伴生可以促进番茄生长、引起番茄根系分布发生改变，但机理不明。本项目拟在已有研究基础上，(1)通过根系分层分段挖掘试验，明确分蘖洋葱根系分泌物、微生物菌群以及养分变化在分蘖洋葱伴生改变番茄根系分布中的作用；(2)利用HPLC-MS、定量PCR等技术，明确分蘖洋葱根系分泌物中影响番茄根系分布的功能物质；(3)利用宏基因组测序、体外培养、定量PCR等技术，揭示分蘖洋葱伴生体系中的番茄两侧根际微生物的差异，分离、鉴定出影响番茄根系分布的功能微生物；(4)通过养分斑块试验探明伴生分蘖洋葱引起的养分变化与番茄根系分布之间的关系。通过以上研究从根系分泌物、根际微生物及土壤营养变化三方面阐明分蘖洋葱伴生改变番茄根系分布的地下种间互作机理，为分蘖洋葱伴生番茄栽培模式的应用提供理论依据和技术支撑。

众多研究揭示了间套作（伴生）体系的种间互惠作用，证明了间套作增产的机理之一是通过改变植物根系分布提高水肥利用率。但改变根系分布的地下种间互作机理尚不清楚。主要结果如下：.1. 外源添加促生分蘖洋葱S根系分泌物使番茄根系远离其生长，而无促生分蘖洋葱N根系分泌物使番茄根系趋向其生长，表明不同分蘖洋葱根系分泌物对番茄根系分布的影响不同。.2. 采用气相色谱-质谱联用（GC-MS）确定了2种差异物质：二叔十二烷基硫化物（S中独有）和2, 2'-亚甲基双-（4-甲基-6-叔丁基苯酚）（S中相对含量显著高于N），采用液相色谱和质谱联用（UPLC-MS/MS）鉴定出了S中独有的水溶性差异物质L-苯丙氨酸。.3. L-苯丙氨酸使番茄根系远离其生长，改变了番茄根系生长素的对称分布和减少了根尖淀粉体的分布面积。转录组分析表明，L-苯丙氨酸下调了番茄根系中与淀粉合成和降解相关基因的表达，并上调了生长素转运相关基因的表达。.4. 植物-土壤反馈试验表明促生分蘖洋葱伴生的番茄根际土能改变番茄根系的分布。高通量测序和qPCR结果表明，促生分蘖洋葱伴生改变了番茄两侧根际微生物的丰度、多样性和群落结构。通过平板法和生物手段分离了促生分蘖洋葱伴生番茄两侧的差异微生物，并明确了差异微生物构建的合成菌群使番茄根系远离其生长，引起番茄根系Ca2+和生长素在根系中的不均匀分布，并上调了根系Ca2+和生长素转运相关基因的表达。.5. 促生分蘖洋葱伴生改变了番茄两侧根际有效磷含量，并进一步通过营养斑块试验明确了磷营养斑块使番茄根系趋向于斑块生长，表明番茄根系分布变化与养分斑块密切相关。.综上，分蘖洋葱伴生改变番茄根系分布与根系分泌物、土壤微生物和养分斑块密切相关。差异根系分泌物组分及伴生引起的两侧差异微生物通过改变Ca2+和生长素在番茄根系中的不均匀分布，并调控淀粉合成和生长素转运相关基因的表达，从而改变番茄根系分布；此外，伴生使番茄两侧土壤产生的营养斑块使根系趋向于斑块生长。该研究可为分蘖洋葱伴生番茄增产的机理提供了重要依据。