具毒死蜱降解功能水稻内生细菌在植株内的定殖分布及功能解析

Chlorpyrifos, which is one of the main pesticides of alternative high toxic organophosphorus pesticides, is extensively used in agriculture production in China, and pose serious risk to the quality and safety of agro-products. To enhance the degradation of pesticide in plant by endophytic bacteria might be a novel method of pesticide residue control. Previously, we have isolated 5 strains of endophytic bacteria from rice plant. Inoculation of the isolated endophytic bacteria has shown increased chlorpyrifos degradation of different parts of the rice plant and grain. In this study, we aimed to further clarify the colonization of the 5 isolated endophytic bacteria and their roles in the degradation of chlorpyrifos in rice plant. By using anti-rifampicin and GFP label to analyze the distribution, movement, location, and dynamic of the endophytic bacteria in rice plant, and optimize the inoculation methods and conditions. The impact on the degradation dynamic and degradation pathway of chlorpyrifos in rice plant by endophytic bacteria inoculations, and the response of organophosphorus pesticide degradation enzymes to bacteria inoculation, were then further explored. The results are of great theoretical and practical significance for the control and management of pesticide residue in agro-products, and also especially helpful for ensuring high-efficiently and safely application of pesticide in agricultural production.

毒死蜱作为替代高毒有机磷农药的主要品种，在我国农业生产中使用量大且范围广，对农产品安全生产带来极大的隐患。利用植物内生菌加速农作物体内残留农药的代谢与降解，有望成为控制农药大量使用带来残留污染风险的新途径。我们前期从水稻植株中分离获得了 5 株具有毒死蜱降解功能的内生细菌，接种水稻初步证明内生细菌可有效加速植株不同部位毒死蜱的消解。本项目拟在此基础上，进一步明确不同内生细菌在稻株内的定殖规律，并解析其参与调控水稻植株内毒死蜱消解的贡献及功能。通过抗利福平结合GFP标记研究内生细菌在稻株内的运动轨迹、分布、微观定位及消长动态，优选定殖方式及条件。通过盆栽实验研究内生细菌定殖对水稻植株内毒死蜱消解动态及路径的影响，比较植物体内主要代谢酶系对内生细菌定殖的响应，明确内生细菌定殖是否参与调控农药代谢酶的活性。研究结果可为农产品农药残留污染控制与治理提供新的思路，为保障农药高效、安全使用提供指导。

毒死蜱作为替代高毒有机磷农药的主要品种，在我国农业生产中使用量大且范围广，对农产品安全生产带来极大的隐患。利用具有农药降解特性的植物内生菌加速农作物体内残留农药的降解代谢，是近年来农业环境治理领域的研究热点。在本项目中，我们首先研究5株具毒死蜱降解功能水稻内生菌对水稻的定殖规律与其对植株残留毒死蜱消解的贡献，结果发现，通过菌液浸根方式接种的内生菌能够定殖水稻根部并向茎叶组织转移，同时显著降低植株体内、水稻根际土壤及稻谷中的毒死蜱残留含量，并促生菌水稻在毒死蜱胁迫环境下生长发育。通过全基因组测序与LC-QTOF-MS分析了Sphingomonas sp. HJY对毒死蜱降解的功能基因与降解代谢产物，结果表明3,5,6-三氯-2-羟基吡啶（TCP）为内生菌降解毒死蜱的主要代谢产物，同时植物内生菌可能存在未知的降解基因。我们进一步采用Illumina MiSeq高通量测序技术研究农药（噻虫嗪）胁迫对水稻内生菌群多样性和群落组成的影响。结果发现：高浓度噻虫嗪可以使水稻茎、叶中内生真菌的物种丰富度和多样性升高。LC-MS对毒死蜱处理水稻的根系分泌物进行定性定量分析，发现氨基酸组成含量有显著性增加，而该组成差异影响了内生菌的趋向性，说明水稻根系分泌物中的氨基酸组分参与了对毒死蜱降解内生菌的招募定殖。Sphingomonas sp. HJY定殖能够提高毒死蜱胁迫下水稻苯丙氨酸裂解酶（PAL）、过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）、谷胱苷肽还原酶（GR）及植物解毒酶细胞色素P450等酶系活性，调控宿主植株代谢清除毒死蜱残留污染。本研究全面揭示了内生降解菌在毒死蜱胁迫环境下与水稻的定殖互作模式，对毒死蜱的降解机制与对促进水稻代谢毒死蜱残留污染的作用机理，可为农产品农药残留污染控制与治理提供新的思路。