化感水稻抑草圈形成的土壤微生物变化与调控机制研究

以化感水稻抑草圈这一特殊现象的土壤微生物为研究对象,(1)土壤宏基因组学研究:提取土壤DNA,采用DGGE、T-RFLP技术,分析不同抑草圈中土壤的微生物种群结构与多样性;(2)土壤宏蛋白质组学研究:提取不同抑草圈中土壤总蛋白质,通过2D电泳分离获取差异蛋白质点,Q-TOF/MS/MS鉴定,生物信息学分析差异蛋白质功能;提取土壤RNA,运用RT-PCR从反转录水平上验证蛋白质差异表达的准确性;(3)土壤物质分析鉴定:提取不同抑草圈土壤物质,通过吸附富集分离,抑草活性跟踪,获得活性物质部;运用LC-MS及GC-MS分析活性部物质组成、结构与含量差异.综合以上结果,通过聚类分析、主成分分析、相关分析、拟合分析、进化描述等方法,分析抑草圈、土壤微生物种群、蛋白质功能和物质之间的关系,解析增强化感水稻抑草能力的有益土壤微生物种群、作用机理和调控机制,为化感作用应用于田间水稻生产提供科学依据.

以土壤为载体，供体水稻和受体稗草在自然环境下共培，建立了“抑草圈”评价方法（Inhibiting Circle Method），通过田间验证证明了该方法可以替代田间直播方法，大大缩短了传统方法的时间并克服了现有实验室方法存在的缺陷。以“抑草圈”方法中水稻根际土壤为研究对象，对土壤微生物的生理功能和微生物多样性、根际土壤差异蛋白质组学以及水稻叶片和根系中4个主要代谢途径基因表达进行了系统研究，并结合了根际土壤物质成分和抑草作用分析。主要结果有：（1）化感水稻PI312777根际土壤的微生物碳量及呼吸强度、细菌数量、土壤酶活性均显著高于非化感水稻Lemont。主要是酚酸及胺类碳源利用类型。（2）DGGE和T-RFLP结果显示，PI312777和Lemont根际土壤在真菌上差异不大而在细菌上差异较大。与化感潜力正相关的细菌，在PI312777中显著高于Lemont。在可鉴定的83种细菌中，病原菌有40种约占50%；其次是与碳代谢相关的微生物22种约占25%。（3）PI312777根际土壤蛋白质差异点为110个，Lemont为57个。PI312777有5个与逆境生理调节相关蛋白上调，4个与免疫相关蛋白下调，而在Lemont中与物质吸收转运相关的9个蛋白均上调表达。（4）PI312777叶和根中酚酸类代谢途径6个相关基因上调表达，上调倍数显著高于Lemont。PI312777根际土壤的抑草率为59.84%，显著高于Lemont的15.26%， PI312777根际土壤酚酸类提取物抑草作用达到42.2%，显著高于Lemont的10.0%。7种酚酸总量在PI312777为39.60 pmol/g土，是Lemont的3倍。.综上所述，化感水稻PI312777酚酸类相关基因表达显著上调，促使化感水稻合成并释放大量的酚酸类物质进入土壤，提升了根际土壤生理功能和微生物多样性。以酚酸类为主要碳源的微生物，抑制了土壤中与营养循环相关的微生物，提高土壤碳循环相关的微生物类型与数量，特别是土壤中病原菌的种类和数量显著提高。微生物的变化使得化感水稻根际土壤中与逆境生理调节相关蛋白显著上调表达，并伴随着免疫相关蛋白的下调和物质吸收转运相关蛋白的缺失，形成了以根际土壤为核心的微生态环境，抑制杂草的生长，形成抑草圈。研究结果阐明了化感水稻抑草圈土壤微生物的变化以及土壤宏蛋白质组学层面的分子调控机制。