胶质类芽孢杆菌与慢生大豆根瘤菌互作及其促进结瘤机理研究

Multiple species inoculant of rhizobia and Plant Growth-Promoting Rhizobacteria (PGPR) can strengthen the ecological adaptability and nodulation activity of rhizobia. Synergistic effect of the two species enhances biological nitrogen fixation (BNF), promotes the growing of leguminous crop, and is meaningful to reduce cost and increase benefits for agricultural production. Paenibacillus mucilaginosus 3016, as a kind of PGPR, was isolated from rhizosphere soil with some beneficial properties, such as phosphorus-solubilizing, potassium-releasing, nitrogen-fixing and growth-promoting, etc. Our precedent researches showed that, multiple species inoculant of P.mucilaginosus 3016 and Bradyrhizobium japonicum 5136 could augment nodule numbers, improve BNF efficiency and increase the soybean yield by 10 % compared with B.japonicum 5136 single inoculant and 20% for the control. In this project, two strains interaction, such as the competion on ecological niche, influence on biological function and soil ecological effect, and the ability of promoting nodulation will be explained. Proteomics will be used to analyze the mechanism of interaction and promoting nodulation. The results will be significant to improve the nodulation ability and effect of soybean rhizobia and develop new multiple species inoculant.

根瘤菌与植物根际促生菌(PGPR)复合接种，可增强根瘤菌生态适应性和结瘤能力，并通过两者协同作用，提高生物固氮，促进作物生长，对农业生产节本增效具有重要意义。胶质类芽孢杆菌（Paenibacillus mucilaginosus）3016是本实验室分离的PGPR菌株，具有溶磷、解钾、固氮、促生等功能。前期工作表明，该菌株与实验室筛选的优良日本慢生大豆根瘤菌（Bradyrhizobium japonicum）5136复合接种，比B.japonicum 5136单接种提高了结瘤数量和固氮效率，大豆产量增加了10%。本课题拟以这两个菌株为研究对象，通过菌株间对生态位的竞争、对菌株生物学功能的影响和对土壤生态效应的改变三方面，阐述菌株间的互作及对根瘤菌结瘤能力的促进；借助蛋白质组学，研究菌株互作及其促进结瘤的作用机理。研究结果对提高根瘤菌结瘤、固氮能力，研发新型复合菌剂，具有重要的价值。

根瘤菌与植物根际促生菌(PGPR)复合接种，可增强根瘤菌生态适应性和结瘤能力，并通过两者协同作用，提高生物固氮，促进作物生长，对农业生产节本增效具有重要意义。胶质类芽孢杆菌（Paenibacillus mucilaginosus）3016是本实验室分离的PGPR菌株，具有溶磷、解钾、固氮、促生等功能。前期工作表明，该菌株与实验室筛选的优良日本慢生大豆根瘤菌（Bradyrhizobium japonicum）5136复合接种，比B.japonicum 5136单接种提高了结瘤数量和固氮效率，大豆产量增加了10%。本课题以这两个菌种为研究对象，通过室内试验和田间小区试验，开展了功能菌株荧光蛋白基因标记、胶质类芽孢杆菌与大豆根瘤菌复合接种对大豆品质和土壤生态效应的影响、胶质类芽孢杆菌培养条件优化、产胞外多糖相关基因转录组学分析、高效促进大豆根瘤菌竞争结瘤的大豆根系分泌物的制备、大豆根瘤菌竞争结瘤能力差异及胶质类芽孢杆菌促进大豆根瘤菌竞争结瘤的蛋白响应机制等研究。获得以下研究成果：（1）完成B. japonicum 5136的gfp标记，获得荧光标记菌株，为后续深入研究菌株在大豆根系的定植规律以及施入土壤后对生态位的竞争提供了实验材料；（2）优化了胶质类芽孢杆菌培养条件，减少了多糖产生量，显著提高发酵密度10倍以上，并对其产胞外多糖相关基因进行了转录组学分析，确定了糖酵解和糖异生代谢途径、磷酸戊糖途径、氨基糖和核苷酸糖代谢以及糖基转移酶在胞外多糖合成中的重要作用；（3）构建了一种根系分泌物的制备方法，借助荧光定量PCR技术，以B. japonicum中nod基因表达为评价指标，确定了其高效促进大豆根瘤菌竞争结瘤的有效性；（4）分别借助2DE电泳技术和非标记定量蛋白质组学技术（Label-free），从蛋白质层面上解析了大豆根瘤菌竞争结瘤能力差异原因以及胶质类芽孢杆菌促进大豆根瘤菌竞争结瘤的蛋白响应机制；（5）从土壤酶活性、土壤养分、土壤微生物群落结构、大豆生长特性等方面，明确了胶质类芽孢杆菌与根瘤菌互作对大豆品质和土壤生态效应的影响。研究结果丰富了胶质类芽孢杆菌促进根瘤菌结瘤固氮分子机理，为提高根瘤菌结瘤、固氮能力，研发新型复合菌剂，实现大豆种植的节本增效具有重要的理论价值和实践意义。