论文部分内容阅读
我国是世界上最大的番茄生产国和消费国。番茄是河北省种植业中经济效益最高的特色产业之一。然而,番茄产业的发展,面临肥效锐减、连作障碍、面源污染等瓶颈问题。本研究为破解以上难题,开辟菜田养分微生物调控的新路径,以胶质类芽孢杆菌（Paenibacillus mucilaginosus）和巨大芽孢杆菌（Bacillus Megaterium）为研究对象,针对养分微生物调控的技术关键,从施用菌剂的生物效应和作用机制两个方面,开展田间试验和盆栽试验,研究功能菌对温室番茄产量、品质、防病的效应,解析功能菌作用的关键因子、代谢途径和功能基因,揭示温室番茄施用胶质类芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌的生物效应及机制。主要研究结果如下:（1）明确了温室番茄施用菌剂的生物效应。田间试验表明,温室番茄定植时施用微生物菌剂75 L/hm2,可显著促进番茄增产和果实品质改善。与常规施肥相比增产23.4%,并且配施生物炭2 t/hm2可增强增产效果,比单施菌剂多增产3.9%;同时,分别提高果实维生素C含量和可溶性糖含量14.4%、13.6%。施用菌剂并不影响土壤细菌组成的多样性,但可改善土壤细菌群落结构。菌剂与生物炭配施可使土壤速效磷含量、速效钾含量分别提高30.0%、37.2%,分别增强土壤碱性磷酸酶、过氧化氢酶和蔗糖酶的活性38.7%、43.6%、37.9%,降低番茄颈腐根腐病发病率91.1%。（2）发现了温室番茄施用功能菌突出功效。盆栽试验表明,与不接菌的对照处理相比,接种胶质类芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌等比处理,可分别提高番茄根量和地上部生物量144.6%、51.2%;接种巨大芽孢杆菌处理,可分别提高番茄根量和地上部生物量102.2%、30.1%;接种胶质类芽孢杆菌处理,可分别提高番茄根量和地上部生物量57.9%、27.6%;接种胶质类芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌等比处理、接种巨大芽孢杆菌处理、接种胶质类芽孢杆菌处理,可分别促进番茄提早开花10.3 d、8.2 d和6.9 d,分别增加1.6穗果、1.1穗果和0.6穗果;分别降低植株发病率64.5、51.0、9.0个百分点。（3）揭示了功能菌产生作用的胞外代谢物。通过功能菌代谢通路的比对分析,揭示了胶质类芽孢杆菌PM12菌株和巨大芽孢杆菌HT517菌株通过参与二萜类物质、莨菪烷、哌替啶和吡啶生物碱等生物合成的代谢通路,能分泌丙酮酸、苹果酸、柠檬酸、莽草酸、乙酸、丁酸等有机酸活化养分促生增产。同时,分泌吲哚乙酸、赤霉素GA3等胞外代谢物,加速番茄营养生长和生殖生长。并且,能分泌一些拮抗病原菌的莨菪烷、哌替啶和吡啶等生物碱类物质和大分子有机物,起到防控连作病害和改善土壤团粒结构的作用。PM12菌株参与鞘脂类信号通路的物质比HT517菌株多3种,说明PM12菌株比HT517菌株在信号转导方面的作用强。PM12、HT517菌株均能分泌赤霉素A3参与二萜生物合成的代谢通路,HT517菌株还能够分泌吲哚乙酸参与植物激素信号转导的代谢通路,进而合成AUX/IAA、GH3和SAUR刺激细胞增大,促进作物根系生长。PM12菌株能够分泌阿义马林而HT517菌株能够分泌阿义马林和色胺参与吲哚生物碱的生物合成的代谢通路;HT517菌株能够分泌石榴碱、哌啶、芽子碱甲酯、甲基异石榴皮碱、苯乳酸、苯丙氨酸、L-赖氨酸、L-异亮氨酸、L-高脯氨酸、5-氨基戊醛、D-赖氨酸等1 1种物质参与莨菪烷、哌替啶和吡啶生物碱生物合成的代谢通路,从而抑制根际病原菌的生长。此外,发现PM12菌株和HT517菌株可分别参与氯代环己烷和氯苯、氯代烷烃和氯烯烃、阿特拉津等有害物质的降解。（4）解析了功能菌起调控作用的相关基因。通过对功能菌全基因组测序分析,发现了与分泌有机酸溶磷相关的7个功能基因,涉及柠檬酸循环、丙酮酸代谢、丙酸代谢、丁酸甲酯代谢、苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸的生物合成等15条代谢通路。其中,HT517菌株具有分泌丙酮酸、苹果酸、柠檬酸、莽草酸、乙酸、丁酸等有机酸的7个相关功能基因pyk、aceB、pyc、ackA、gltA、buk、aroK和15条代谢通路,PM12菌株仅有4个与分泌有机酸相关功能基因pyk、ackA、gltA、aroK和14条代谢通路,不涉及丁酸甲酯代谢通路,不具备分泌乙酸和丁酸的功能。从生物膜形成的代谢路径中,发现PM12菌株有4个与分泌荚膜多糖解钾相关的功能基因pelA、pelD、pelF、pelG,但HT517菌株不具有类似功能基因,并从ABC转运蛋白的代谢路径中,发现有两种与分泌多糖密切相关的基因蛋白,分别为脂多糖转运系统渗透酶蛋白和脂多糖转运系统ATP结合蛋白。同时,发现了 PM12菌株和HT517菌株参与吲哚乙酸和赤霉素等萜类化合物生物合成的5个相关功能基因trpA、trpB、trpS、TDO2、idi,分别涉及色氨酸、甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸等代谢和萜类化合物生物合成的6条代谢通路,其中有4个相同的功能基因trpA、trpB、trpS、idi和HT517菌株1个特有的TDO2基因,明确了与合成生长素促生、早实相关的功能基因。并且,发现了 PM12菌株和HT517菌株参与莨菪烷、哌替啶和吡啶生物碱生物合成的6个相同的功能基因hpaB、pheS、pheT、ileS、pepA、iucD和PM12菌株特有的3个功能基因hcaC、lysK、lysX,以及HT517菌株特有的2个功能基因paaG、kamA,分别涉及精氨酸、赖氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸等氨基酸生物合成和芳香族化合物降解等10条代谢通路,HT517菌株并独具一条表面活性素的基因簇,对拮抗番茄专化型尖孢镰刀菌起决定作用。本研究明确了温室番茄施用菌剂促生增产、改善品质、抑菌防病等生物效应,发现功能菌具有促根发达、早开花结实、拮抗病原菌等突出功能效果,分别从代谢组学和基因组学角度,阐明了功能菌起作用的胞外代谢物组分及其代谢通路,解析了与溶磷解钾、促根早实、拮抗病菌等相关的功能基因,初步揭示了功能菌的作用机理,具有较高的实用价值和学术价值。