间作分蘖洋葱提高番茄黄萎病抗病力的土壤微生物学机制

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番茄(Solanum lycopersicum)是一种世界性非常重要的蔬菜作物,也是我国设施内种植面积最大的果类蔬菜。黄萎病是影响番茄产量和品质的主要土传病害之一,主要由大丽轮枝菌(Verticillium dahliae)引起,前期研究发现,间作分蘖洋葱可以减轻番茄黄萎病,但其机理尚不明确。本研究试图从植物种间互作的土壤微生物学角度,进一步解析间作分蘖洋葱减轻番茄黄萎病的机理。本研究以番茄和分蘖洋葱为试材,利用定量PCR和宏基因组测序分析来研究间作分蘖洋葱对番茄土壤微生物丰度、群落结构和功能的影响;利用土壤灭菌实验来明确土壤微生物在间作分蘖洋葱减轻番茄黄萎病中的作用;利用植物-土壤反馈实验进一步探明间作分蘖洋葱诱导的番茄土壤微生物变化对番茄黄萎病抗病力的影响;利用土壤杀菌剂实验明确土壤细菌和真菌的变化对番茄黄萎病抗病力的作用;利用高效液相色谱分析间作分蘖洋葱对番茄根系分泌物组分及含量的影响;通过趋化性、生物膜实验和体外实验研究番茄根系分泌物及其变化组分对PGPR(假单胞菌和芽孢杆菌)定殖力和产抗生素基因表达的影响。通过以上研究,揭示了伴生分蘖洋葱提高番茄抑病力的土壤微生物学机理。本研究主要结果如下:(1)间作分蘖洋葱显著提高了番茄土壤假单胞菌属、芽孢杆菌属、产2,4-二乙酰基藤黄酚、藤黄绿脓菌素、泛革素和表面活性素微生物丰度以及链霉菌属、Nocardiodies、Masilia和Devosia spp.等潜在植物促生微生物和潜在拮抗微生物丰度。间作分蘖洋葱提高了番茄土壤细菌群落物种Shannon指数,来自间作处理的番茄土壤细菌群落散点与单作处理散点明显分开,以上结果说明分蘖洋葱间作改变了番茄土壤细菌群落的物种结构和组成。间作分蘖洋葱改变的番茄土壤微生物的功能主要集中于代谢和遗传信息处理这两功能,同时,间作显著提高了ABC转运体、双组份信号系统、细菌分泌系统、细菌趋化性和生物膜形成等功能属性的相对丰度。宏基因组数据分析鉴定了参与这5种功能的类群,结果显示间作分蘖洋葱提高了假单胞菌科、肠杆菌科、黄单胞菌科、链霉菌科、小单孢菌科、Nocardioidaceae、生丝微菌科和产碱菌科的相对丰度。同时,间作也改变了番茄土壤微生物群落功能的结构和组成。间作和单作处理差异功能的前两贡献者是节细菌属和假单胞菌属,且假单胞菌属对间作处理的功能贡献度大于单作处理。间作分蘖洋葱提高了土壤微生物运动性(细菌趋化性、细菌分泌系统和鞭毛组装)相关基因的表达。此外,间作分蘖洋葱将番茄土壤细菌群落网络分为三个独立部分,降低了共现网络关系的复杂性。(2)土壤灭菌降低了间作系统中番茄植株生物量,提高了黄萎病病情指数和发病率,延缓了番茄根系防御相关基因表达,说明土壤微生物在间作分蘖洋葱促进番茄幼苗生长和提高番茄黄萎病抗病力中发挥了重要作用。添加杀细菌剂降低了间作系统中番茄植株生物量,提高了黄萎病病情指数和发病率,延缓了番茄根系防御相关基因表达,说明主要是细菌在促进番茄幼苗生长和提高番茄黄萎病抗病力起了作用。接种间作番茄土壤微生物提高了番茄植株生物量、降低了黄萎病病情指数和发病率、提前启动并提高了番茄根系防御相关基因表达,说明间作分蘖洋葱诱导的番茄土壤微生物变化对促进番茄幼苗生长和提高番茄黄萎病抗病力具有正反馈作用。(3)间作分蘖洋葱提高了根系分泌物中的苹果酸、柠檬酸、富马酸、精氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、色氨酸、果糖、总有机酸和总氨基酸含量,降低了谷氨酸和丝氨酸含量,同时,只在间作番茄根系分泌物中检测到天冬氨酸和苯丙氨酸。(4)间作处理的番茄的根系分泌物比单作处理更能吸引假单胞菌P8和芽孢杆菌P1、P2并诱导其生物膜的形成。有机酸、氨基酸和可溶性糖变化组分浓度越高越能促进假单胞菌P8和芽孢杆菌P1、P2的生物膜形成和趋化性,说明分蘖洋葱间作的番茄根系分泌物有利于提高假单胞菌P8和芽孢杆菌P1、P2的根际定殖力。(5)间作处理的番茄根系分泌物提高了假单胞菌P8产2,4-二乙酰基藤黄酚和藤黄绿脓菌素基因、芽孢杆菌P1、P2产泛革素和表面活性素基因的表达。高浓度的有机酸、氨基酸和可溶性糖变化组分更能提高上述基因的表达,说明间作分蘖洋葱引起的番茄根系分泌物变化有利于假单胞菌P8和芽孢杆菌P1、P2产抗生素的能力。综上,分蘖洋葱间作通过改变番茄根系分泌物组分及含量提高了PGPR在根系的定殖能力、产抗生素能力,以及改变的微生物使番茄产生诱导抗性,进而提高了番茄对黄萎病的抗病力。
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