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植物生长在复杂的自然环境中,它们不仅与多种有害生物(如食草昆虫和微生物病原体)共同生活,而且还与有益生物(如食草动物的天敌、有益真菌及根际细菌)共存。大量的研究表明有益微生物不仅能促进植物的生长,还能帮助植物抵御病原菌的侵染和食草型昆虫的取食等生物胁迫,以及提高植物对干旱、低温、盐碱等非生物胁迫的耐受性。本研究分别探讨了有益微生物促进植物生长、防治植物虫害、提高植物抗旱能力等机理,并研究了有益微生物在田间的应用方法。1、Mitsuaria sp.和Burkholderia sp.提高拟南芥和玉米抗干旱胁迫的能力植物根际微生物如植物根际促生细菌(PGPR)在干旱条件下,能够提高植物对干旱的耐受性和促进植物对水分的利用。本研究从拟南芥根际土中共分离到20株细菌菌株,并从中筛选出两株具有提高拟南芥抗旱能力的菌株ADR10和ADR17。经鉴定分别为Burkholderia sp.和Mitsuaria sp.。进一步的机理研究表明,ADR10和ADR17能产生胞外多糖(exopolysaccharides,EPS)和ACC脱氛酶(1-Aminocyclopropane-1-carboxylic acid deaminase,ACCd),帮助植物保持土壤水分和降低植物体内乙烯水平。在玉米上的研究表明,ADR10和ADR17能够提高玉米抗旱能力、维持叶片相对含水量、及提高玉米体内防御酶活性:同时,ADR10和ADR17还能够引起植物激素水平的变化。ADR10和ADR17可通过多种途径提高植物的抗旱能力,具有一定应用潜力。2、盖姆斯木霉改变拟南芥叶片代谢组成并提高拟南芥对粉纹小夜蛾的抗性植物能够通过调整自身的转录组、蛋白质组和代谢组应对不同的环境胁迫,以提高对环境胁迫的适应能力。大量的研究表明,一些内生真菌和植物根际促生细菌通过改变植物叶片的代谢组提高植物对取食昆虫的抗性。本研究从拟南芥的根际土中筛选到一株盖姆斯木霉(Trichoderma gamsii),T.gamsii能增加拟南芥抗粉纹小夜蛾(Trichopulsia ni)幼虫取食的能力。叶片的代谢组分析结果显示,T.gamsii能够显著改变拟南芥叶片的代谢组成。T.gamsii处理的植株叶片中的氨基酸含量显著高于未处理植株,但糖的含量显著低于未处理植株。LC-MS分析叶片中的植物激素的含量显示T.gamsii能够显著提高叶片中脱落酸(Abscisic acid,ABA)的含量,但显著减少水杨酸(Salicylic acid,SA)和3-吲哚乙酸(Indole-3-acetic acid,IAA)的含量。因此,本研究表明T.gamsii能通过调节植物体内代谢组成及植物激素水平,抑制昆虫的取食量,帮助植物抵御昆虫的取食。3、根系分泌物和根际促生菌的分泌物共同调节着根际促生菌的促生效果植物根际促生细菌(PGPR)能促进寄主作物的生长,在农业生产上应用广泛。ATP-binding cassette(ABC)transporters通过植物根系分泌物影响植物-微生物互作过程。本研究通过使用蜡质芽胞杆菌Bacillus cereus AR156和拟南芥野生型(Col-0)及其ABC transporters的相关突变体(Atabcg30、Atabcg36、Atabcg37、Atabcc2和Atabcc5)的互作来进一步阐释PGPR和其寄主植物之间互作的机理。本研究检测了AR156在Col-0和不同ABC transporter突变体上的促生水平,并研究了相关的机理。研究表明,AR156促进了Col-0,Atabcg30、Atabcg36和Atabcg37地上部分的生长而抑制了Atabcc5地上部分的生长。AR156的挥发性物质和分泌物促进了Col-0和Atabcg30的生长,但不影响Atabcc5的生长。Col-0的根系分泌物诱导了AR156产嗜铁素和产几丁质酶基因的表达,但Atabcc5的根系分泌物则抑制了相关基因的表达。GC-MS的结果显示,Atabcc5的根系分泌物中氛基酸、有机酸和糖的含量显著低于野生型Col-0。本研究表明寄主植物和PGPR通过植物根系分泌物及PGPR分泌物共同调节促生效果。4、混合菌剂Bacillus cereus AR156和Bacillus subtilis SM21在田间不同的施用方法对辣椒生长和抗青枯病的影响混合菌剂Bacillus subtilis SM21和Bacillus cereus AR156(ASB)对番茄青枯病、辣椒疫病和黄瓜根结线虫病等土传病害具有很好的防效。为了更有效、方便和经济的施用ASB,我们分别在2009年和2010年研究了ASB在田间不同的施用方法对辣椒生长和抗青枯病的影响。通过检测一系列植物生长指标、辣椒产量、辣椒果实营养成分,以及对青枯病的防治效果等指标来确定最优田间施用方式。本研究共选择了浸种法、播种后立即浇灌法,和移栽时灌根三种施用方法。测试浓度为1.0×10~6 CFU/mL、1.0×10~7CFU/mL和1.0×10~8CFU/mL三个浓度。结果显示,使用1.0×10~7 CFU/mL的ASB浸种结合和移栽时1.0×10~6 CFU/mL或1.0×10~7 CFU/mL灌根能显著促进植物生长、增加产量和改善果实营养成分。本研究发现对辣椒促生及提高抗病的最优施用方式为ASB 1.0×10~7 CFU/mL浸种结合1.0×10~6 CFU/mL灌根。