内生根瘤菌随豆科牧草种子进入石漠瘠薄生境并定殖于土壤的机理研究

Endogenous Rhizobia existed universally in forage seeds. Based on the situation that how these seed-carried Rhizobia been colonized into the infertile soil of stony desert in a new habitat with the assistance of hosts, the process of entering into new habitat with seeds - infection and nodulation - decline of nodules - bacteria release was used as an outline, and based on the 2 premises: 1. is rhizobia carried in seeds and 2. did efficacious nodules existed that influencing the nodulation of leguminous plants to study the distribution dynamics of seed-carried rhizobia in rhizospheric soil, its dominance variation and the colonization features by the techniques and methods of fluorescence protein marker, nodA gene PCR amplification and 16S rDNA, to declare the colonization mechanism of seed-carried endogenous Rhizobia into the soil in stony desert and how they becoming the indigenous Rhizobia in early stage. Correlated studies focus mainly on the colonization features of endogenous Rhizobia in plants and soils, and the diversity of environmental microganisms. This project will provide research basis for the migration and propagation of seed-carried Rhizobia, and the ecological mechanism on the long-term existence and maintenance of symbiotic N fixation in new habitats, and provide theoretical basis for the further study of synergistic growth between leguminous forage grass and endogenous Rhizobia in the infertile habitats of stony desert.

内生根瘤菌普遍存在于豆科植物种子内部。本项目针对内生根瘤菌随种子进入新的石漠瘠薄生境后，如何在宿主协同下适应并定殖于土壤的问题。以根瘤菌随种子进入新生境-侵染结瘤-根瘤衰败-菌体释放并长期定殖于土壤的过程为主线，从种子是否携带根瘤菌和栽培环境是否存在有效根瘤菌两个决定豆科植物能否结瘤的前提入手，以荧光标记根瘤菌示踪，nodA基因PCR扩增检测、16S rDNA测序分析等技术和方法，探究内生根瘤菌随种子进入新生境后在根际土壤的数量分布动态、在微生物群落中的优势度变化，及去除宿主后在石漠土壤的定殖特性，揭示种子内生根瘤菌进入石漠生境成为早期土著根瘤菌的机理。已有相关研究多为内生菌在植物、土壤中的定殖特性或对环境微生物多样性的影响方面，本研究将为根瘤菌伴随种子迁移传播，在新生境维系共生固氮关系长期存在的生态机制提供研究基础，为石漠瘠薄生境豆科牧草-内生根瘤菌协同共生关系的深入研究提供理论依据。

根瘤菌-宿主共生体系研究中，豆科植物未接种外源根瘤菌而结瘤的现象极为普遍。之前多数研究者通常将其归结于生境中土著根瘤菌的侵染。但多年来的研究报道对未种植过豆科植物的土壤中不存在土著根瘤菌或数量很低，而有豆科植物栽培史的土壤中存在大量土著根瘤菌这一现象达成共识。现有的土壤低丰度根瘤菌说难以解释土著根瘤菌的产生机制及其对宿主强势的竞争结瘤能力。因此土著根瘤菌的确切来源是十分重要却长期未明确的科学问题。本项目在瘠薄而缺乏豆科植物生存的石漠生境条件下，以cfp荧光标记菌示踪及16S rDNA高通量测序的方法对拉巴豆、紫花苜蓿、白三叶三种豆科植物种子及其栽培土壤中的根瘤菌分布/定殖和迁移现象进行了分析，旨在相对简单的生境模型下还原根瘤菌随种子进入新生境并逐渐成为土著根瘤菌的可能过程和机制。研究达到预期目标，为土著根瘤菌的来源及其强势竞争结瘤能力提供了一个合理、自洽而符合实验现象的科学解释。结果表明：1.根瘤菌以相对较低的丰度和较高的多样性存在于豆科植物种子内部，包含有多种对盐碱、干旱等胁迫因子有突出抗性或具有解磷能力的根瘤菌株。2.种子内生根瘤菌随种子进入新生境土壤后，其中适应新生境的根瘤菌侵染原宿主结瘤、在根瘤内增殖并随根瘤的衰败而进入土壤，这些根瘤菌经历一段时间后形成群落优势。在去除宿主植物后，部分根瘤菌能适应土壤环境长期生存，进而成为土著根瘤菌。3.在含有土著根瘤菌的栽培土壤中，土著根瘤菌及其它微生物的竞争使种子内生根瘤菌进入新生境后的丰度增幅和群落优势度受抑，但在土壤中仍旧能成功定殖。4.根瘤菌伴随种子进入石漠新生境后，不仅能定殖于根际土壤，而且能向远离宿主的方向迁移定殖。与宿主的共生关系是研究植物与微生物合作适应生存的重要对象，本研究明晰了种子内生根瘤菌伴随种子向土壤的迁移定殖过程，为探究土著根瘤菌的可能来源和根瘤菌对宿主的侵染专一性提供了新的线索。