基于巨大芽孢杆菌NCT-2的可培养核心微生物组构建及其组装机制

Our previous study found that Bacillus megaterium NCT-2 can reduce nitrate in the soil of greenhouse agriculture through nitrate assimilation pathway, promote plant growth and improve rhizosphere microbial communities. Therefore, NCT-2 has great potential in the remediation of secondary salinization soil. However, single strain inoculants often exhibit large instability and variability in practical complex soil environments. Therefore, it is necessary to construct a culturable core microbiome based on Bacillus megaterium NCT-2 to achieve a stable remediation effect. The members of the rhizosphere core microbiome inoculated with NCT-2 will be speculated by metagenomic sequencing using NCT-2 as the basic strain. The culturable core microbiome based on NCT-2 strain will be constructed by the former speculation, screening and identification of functional strains. The stability of microbiome and its key species will be examined by phenotype microarray technology and pot experiment to elucidate the assembly mechanism of the microbiome. This study can provide a scientific reference for understanding the assembly mechanism of the microbiome, and provide scientific basis and technical support for the construction of other types of synthetic microbial groups, and for the creation of stable and efficient soil-modified composite microbial agents.

本课题组前期研究发现，接种巨大芽孢杆菌NCT-2可通过硝酸盐同化途径转化设施农业土壤中的硝酸盐，还可促进植物生长、改善根际微生物群落，因此该菌株在改良次生盐渍化土壤方面具有巨大潜力。然而单一菌株接种剂在实际复杂的土壤环境中往往表现出较大的不稳定性和差异性。因此，有必要构建基于巨大芽孢杆菌NCT-2的可培养核心微生物组，实现其稳定的土壤改良效果。本项目拟以巨大芽孢杆菌NCT-2为基本菌株，采用宏基因组测序推测接种NCT-2的根际核心微生物组成员，结合功能菌株的筛选鉴定，构建基于NCT-2菌株的可培养核心微生物组，并通过表型微芯片技术和盆栽实验检测该微生物组的稳定性及其中的关键物种，从而阐明该微生物组的组装机制。本研究可为深入理解微生物群落的组装机制提供科学参考，并为构建其他类型人工合成微生物组以及创制稳定高效的土壤改良复合菌剂提供科学依据和技术支持。

设施栽培中土壤硝酸盐型次生盐渍化问题尤为突出，对土壤肥力、作物生产及人类健康造成威胁。微生物修复措施以其环境友好、简单高效、成本低廉等优势广受关注，相关研究多聚焦于单一菌剂，但其存在定殖困难、适应性差、功能难以发挥等局限，因此，利用合成微生物组研发复合微生物菌剂为解决上述问题提供了新的思路。本研究以具有促生降盐功能的巨大芽孢杆菌NCT-2为核心菌株，从次生盐渍化土壤中筛选能与NCT-2共存的耐盐促生菌并构建合成微生物组，考查合成微生物组对次生盐渍化土壤的修复效果，并通过测定菌株间互作强度阐明微生物组的组装机制。研究结果表明，接种NCT-2菌剂显著增加了生菜鲜重，并能够显著降低硝态氮含量。根际土壤硝态氮含量对施加灭菌菌剂处理的细菌群落影响大于接种菌剂的细菌群落。从接种NCT-2菌剂的生菜根际土壤中筛选获得耐受硝酸盐且具有植物促生能力的8株细菌，定量测定了其固氮、溶磷、解钾、产IAA、产铁载体、产ACC脱氨酶六种促生能力和转化硝酸盐能力。进一步通过与NCT-2菌株的共培养互作试验，选取Y8和Y10菌株作为候选细菌用于与NCT-2构建合成微生物组。经形态学鉴定、生理生化鉴定、系统发育树分析鉴定后，确定Y8为巴基斯坦类芽孢杆菌，Y10为短小芽孢杆菌。将NCT-2、Y8和Y10菌株组合后接种于次生盐渍化土壤中并种植生菜，并测定土壤理化性质、生菜产量品质和根际细菌群落多样性，结果表明三株细菌组合施用的修复效果最佳。通过表达载体的构建和表达、荧光定量PCR技术对单独培养和混合培养下各细菌的生物量进行测定，进而计算得出菌株间的平均互作强度，用于表征细菌-细菌相互作用关系和阐明合成微生物组的组装机制。结果表明，单独添加Y8菌株以及Y8和Y10菌株共同添加对NCT-2菌株的生长具有显著的促进作用，且三株菌共培养的互作关系最优。本项目研究结果为创制稳定高效的次生盐渍化土壤修复复合菌剂提供了科学参考。发表基金标注的SCI论文6篇，其中包括领域TOP期刊4篇，申请国家发明专利2项，其中授权1项。