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南京土壤所在紅壤花生-木薯根際互作調控養分利用的微生物信號機制方面取得進展

2020-03-04 分享到:

我國人均耕地資源不足,建立合理的作物間作體系可以提高耕地利用效率,增加單位面積産量,但需要發揮不同作物在光能和養分利用上的互補優勢,減少作物間競爭的不利影響。不同作物根系構型不同,吸收養分的類型及吸收的時間和空間均有差異,如何調控並強化間作系統中作物間相互促進作用是提高養分利用率的關鍵。根際是作物吸收養分的門戶,根系-土壤-微生物相互作用影響了養分轉化、吸收和作物生長,根系分泌物影響根際環境條件(pH、O2分壓、碳源等)從而影響根際微生物組成及其對養分的轉化,根系釋放的信號啓動作物間化學通訊識別過程從而影響作物生長-防禦權衡策略。已有研究從植物生理學角度揭示了乙烯等脅迫誘導型激素在信號識別和應答鄰近植物種間競爭方面的作用機制,但是關于這類信號在根系-土壤-微生物界面上的互作機制仍不清晰,制約了建立有效措施調控種間植物競爭、提升間作系統作物養分利用率。

花生-木薯是南方紅壤區重要的間作系統,針對調控花生和木薯競爭促進養分利用問題,大咖棋牌孫波課題組基于紅壤旱地花生連作、花生-木薯間作田間試驗,結合盆栽、水培實驗和外源乙烯添加實驗,利用高通量測序、激素組分析等方法,研究了種間植物(花生與木薯)地下部化學信號識別途徑,揭示了花生信號調控根際微生物的競爭性防禦生存策略。研究發現鄰近植物木薯産生的氰化物可誘導間作花生根系乙烯釋放。該信號分子一方面調控花生生理應答;另一方面可經根部釋放重塑根際微生物群落,影響作物養分吸收。研究結果表明:花生與木薯間作,木薯根部的氰化物促進花生根部乙烯前體積累,上調乙烯相關基因表達,激發乙烯釋放。這種氣體分子以減少花生植株地上生物量爲代價,調控花生根際微生物網絡中的核心物種(放線菌門Catenulispora sp.)豐度,重塑微生物網絡結構。新構建的微生物組加速根際有機氮磷礦化,爲花生地下部提供可利用氮磷養分,從而提高花生子代有效繁殖能力,進一步提高花生在間作模式下的生態適應性。該研究揭示了種間植物競爭下植物根系與微生物間基于信號的“化學對話”機制,提出建立合作關系以改善植物生態適應性的調控原理,爲在酸化貧瘠紅壤旱地上建立合理的花生-木薯間作管理措施、提高養分利用率和産出率提供了理論基礎。

以上研究成果發表在Microbiome上。研究工作得到國家重點研發項目,國家自然科學基金,江蘇省自然科學基金資助。

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紅壤花生-木薯間作系統中化學信號調控根際微生物群落結構和功能的機制