植物根际沉积与土壤微生物关系研究进展

【目的】活跃的根际微生物被喻为植物的第二套基因组,在植物的生长发育过程中发挥着关键作用。植物通过根际碳沉积影响根际土壤微生物群落的结构和功能;作为根际微生态系统中的物质流、能量流和信息流,根际碳沉积是连接大气、植物和土壤系统物质循环的重要纽带;因此,理解根际碳沉积在根际微生态中的作用对于提高植物抗逆性,增加作物产量,调控根际养分循环等方面具有重大的理论意义。【主要进展】本文就近年来关于根际微生物领域的研究成果,重点综述了根际微生物多样性和组学研究;根际碳沉积的组成和产生机理;根际微生物群落结构的形成机制;根际微生物在促进作物养分吸收、提高作物抗逆性等方面的生态功能;以及气候变化和长期施肥对植物-微生物互作关系的影响。在此基础上我们提出了未来可能的研究重点和发展方向:1)植物根际沉积物原位收集方法和检测技术的改进和发展;2)稳定同位素探针与分子生态学技术的结合,将植物、土壤和微生物三者有机地联系起来,综合分析根际界面中微生物的活性与功能;3)高通量测序、组学技术和生物信息学等新技术的引入势必使根际微生物学研究发生革命性的变化;4)随着全球气候变化和土壤肥力改变,例如全球变暖、CO2浓度升高和长期施用化肥,根际沉积物在植物-土壤-微生物中的分配与调节机制,以及这种环境选择压力下植物如何诱导根际促生菌发挥更大作用。希望通过平衡作物与微生物之间的相互关系来实现作物的高产高效,促进农田的可持续利用。     

根际微生物对植物与土壤交互调控的研究进展

土壤中拥有非常丰富的微生物群落,这些微生物对植物与土壤之间的交互作用起到了非常重要的调节作用,尤其是根际微生物,其中一些重要的功能微生物作为主要的共生功能体参与到植物根系养分转化中。对根际与根际土壤微生物的形成及其与土壤环境、植物根系之间互作关系的最新研究进展进行了综述,这些研究成果均肯定了根际微生物群落和多样性是积极促进植物个体和维持生态系统功能的活跃因子,并展望了今后土壤微生物在多组学、植物功能性状和全球变化方面的研究前景。     

从抑病土壤到根际免疫：概念提出与发展思考

作物土传病害已经成为集约化农业可持续发展中的瓶颈,在粮食安全、资源高效和生态健康多目标协同发展的指导思想下,系统的绿色防控理论和技术体系构建是破解该难题的重要前提。作为植物-土壤互作的热点区域,根际栖息着较土体土壤更丰富的微生物群落,是土传病原物入侵作物根系的必经之路。根际微生态系统中的植物、土壤、微生物组和病原物之间的交互作用必然影响着植物健康。笔者将根际微生态系统抵御土传病原物入侵的现象和能力,称之为"根际免疫"。本文重点梳理根际免疫概念形成的4个重要阶段:(1)抑病土壤概念的提出与发展;(2)抑病微生物筛选与作用机制;(3)抑病土壤核心微生物组及互作机制;(4)根际免疫概念的形成与发展思考。最后从关注根际微生态、注重学科交叉和系统揭示根际免疫机制三方面进行展望,以期为提升土壤-植物系统健康和实现农业可持续发展提供理论依据和技术支撑。     

根际生命共同体：协调资源、环境和粮食安全的学术思路与交叉创新

植物营养学研究近年来在植物养分高效分子机理、植物-微生物互作、根际互作与微生态调控、农田养分管理等研究领域取得了一系列原创性进展。然而,当前如何协调粮食安全、资源高效和环境可持续性仍面临巨大挑战。针对这一重大问题,本文提出"根际生命共同体(Rhizobiont)"学术思路,围绕"根际互作与养分高效"这一重大科学命题,构建"植物-根系-根际-菌丝际-土体及其微生物"根际生命共同体理论体系,突破植物-微生物、微生物-微生物关键界面互作机制,阐明根际生命共同体结构、功能及其在养分活化、吸收与利用中的作用机制,建立共同体多界面互作增效的生物学调控新途径,开辟植物-土壤-微生物交叉创新领域,根际生命共同体理论创新有助于破解粮食安全、资源高效、环境保护多目标协同的难题,支撑我国农业绿色发展。文章指出了根际生命共同体与养分高效研究的重点方向与内容,尤其是深入揭示和调控植物第二基因组——微生物组的作用正成为农业科学的研究前沿。     

喀斯特生态系统中乔木和灌木林根际土壤微生物生物量及其多样性的比较

我国喀斯特区域面积分布较广,而喀斯特生态系统的退化已成为当前西南地区面临的严重的生态问题。本研究选取贵州中部两种不同植被类型的生态系统—乔木林和灌木林,以乔木林中的白栎、园果化香和灌木林中的火棘、竹叶椒等主要优势树种为对象,研究不同的植物树种对根际土壤微生物生物量及其细菌群落结构的影响。结果显示:乔木林系统中根际土壤微生物生物量碳、氮显著性高于灌木林,植物的根际效应在乔木林中表现更为显著;同时乔木林中的优势树种通过根系分泌物的作用显著提高根际土壤细菌多样性指数,而灌木林中优势树种的根际土壤微生物量及多样性均未表现出明显的根际效应。因此,植被的演替通过改变土壤微生物的特性影响植物-微生物-土壤之间的物质和能量循环,进一步影响喀斯特生态系统的稳定和健康功能。     

植物根际微生物组的研究进展

根际微生物组 (rhizosphere microbiome),是植物从其种子库土壤微生物组中有选择性地招募在根际聚集的动态微生物集群。随着近年来高通量测序技术、宏基因组学等的飞速发展,根际微生物组与植物宿主及土壤微生物组间的紧密联系引起了全球关注和研究热潮。根际微生物组被视作植物第二基因组,其与植物间的互作极为复杂,有正相也有负相。植物通过从土壤微生物组中招募到根际的某些组分获得积极反馈。正确管理植物根际微生物组不仅能促进宿主营养吸收、抵抗病虫害及适应环境胁迫,还可能促进健康土壤的形成,增强土壤生态系统的服务功能。对根际微生物组的定义、驱动因素、研究方法及其与农业生产的关系4个方面进行综述,并重点关注了根际微生物组与植物宿主间的互作过程,以期为更好的开发利用这类生物资源提供新思路。     

根际微生物对药材道地性的影响

在植物、土壤与微生物所构成的根际微生态系统中,微生物对于土壤肥力的形成、养分的转化吸收、植物生长发育以及植物病虫害的生物防治具有重要的作用.通过对影响根际微生物种群结构因素分析以及根际微生物影响土壤养分释放和植物生长等功能的初步探讨,以期为药材道地性的研究提供新的思路和方法,指导道地药材的生产和实践.     

南亚热带不同植被根际微生物数量与根际土壤养分状况

研究了包括尾叶桉、广东凤丫蕨、柳叶竹、大叶相思、青皮、木荷、湿地松在内的7种南亚热带不同植物植被下土壤根际微生物与根际养分状况及其相关关系。结果表明，根际环境对细菌有明显的正效应，对放线菌和真菌有正、负两方面的影响，但对根际微生物总量具有根际效应明显;在南亚热带森林生态系统中，在植物的某些生长季节，微生物的根际效应与土壤养分的根际效应一致。     

植物根系分泌物与根际微生物交互作用机制研究进展

根际是受植物根系影响最为强烈的微域环境,是植物和土壤交流的桥梁。根系能通过调控根系分泌物的种类和数量影响根际微生物的种群结构和多样性,根际微生物通过改变根际土壤特性影响根系的分泌作用,进而影响植物的生长发育过程。因此,很有必要对这些研究进展进行梳理,提出未来该领域的研究重点。本文以1999 ~ 2022年中国知网（CNKI）和Web of Science核心数据库为文献来源,对根系分泌物与根际微生物互作相关的64篇论文进行分析。总结了近年来根系分泌物和根际微生物互作的最新研究成果,重点介绍了根系分泌物对根际微生物种类、数量和分布的影响,环境胁迫对根系分泌物和根际微生物的影响,以及根际微生物对植物生长的影响。基于此,我们对该领域未来的研究方向进行了展望。深入理解根系分泌物和根际微生物之间复杂的互作关系及其机理,对揭示根际微生态调控过程、土壤微生物组功能、促进农作物增产等方面具有重要的意义。     

区分纯根呼吸和根际微生物呼吸的争议

定量区分土壤呼吸各组成成分是评价陆地生态系统地下 C 平衡和能量平衡的重要基础.目前,国际上有关区分纯根呼吸和根际微生物呼吸出现了较大的争议,争议的焦点集中于根呼吸、根际微生物呼吸和自养呼吸等术语的涵义及区分纯根呼吸和根际微生物呼吸的必要性两个方面.不同研究者对术语理解的差异以及不同研究之间区分方法、研究目的和实验尺度的不同,是争议产生的主要根源.此外,实验技术的不足也增加了区分纯根呼吸和根际微生物呼吸的不确定性.目前,在全球变暖的背景下,地下生态系统C素的分配和流动将发生很多未知变化.根际微系统作为地下生态系统的重要组成部分,其C素流动和微生物区系的变化将对土壤C库及土壤温室气体排放产生深刻影响.纯根呼吸和根际微生物呼吸作为根际微系统中C索分配的两个重要去向,定量区分两者将成为土壤呼吸各组分区分研究的下一个重要内容.     

Genetic diversity of Rhizobium present in nodules of Phaseolus vulgaris L. cultivated in two soils of the central region in Chile

Although Phaseolus vulgaris L. is native from the Americas and is currently cultured in diverse areas, very little is known about the diversity of symbiotic nitrogen fixing Rhizobium (mycrosymbiont) in many of those cultures. Therefore, the aim of this study was to assess the genetic diversity of Rhizobium present in nodules of P. vulgaris in the central region of Chile. A method to extract DNA from surface-sterilized nodules was applied to two populations of the same seed variety grown in different fields. The 16S rRNA and nifH genes were amplified directly from the DNA extracted. DGGE analysis and clone libraries showed a restricted genetic diversity of the microsymbiotic populations that nodulate P. vulgaris. Both molecular markers revealed the presence of a microsymbiont closely related to Rhizobium etli in all the plants from the soils studied, indicating that the populations of Rhizobium sp. nodulating P. vulgaris in the central region of Chile displayed an extremely low genetic diversity. The level of genetic diversity in microsymbiont populations in plants grown in soils with different origin suggested that other factors rather than the indigenous soil rhizobial populations play a major role in the selection of the symbiotic partner in P. vulgaris.     

鲤鱼品系的部分线粒体序列的遗传变异

运用PCR测序法,以9个我国常见鲤鱼（Cyprinus carpio）养殖品种和2个野生群体为研究材料,分析线粒体DNA的16S rRNA、Cyt b和D-loop序列片段,用于分析的序列共有1 457 个位点,其中变异位点32个,简约信息位点21个,共有单倍型16个。分别利用以上3个基因片段以及合并后的序列, 构建NJ和MP进化树。由不同方法获得相似的进化树,由不同基因片段得到的进化树均为两支,其中贝尔湖野鲤（BE）单独成支,其它群体聚为1支,只是由D-loop得到的进化关系更为详细,而由合并后的序列构建的进化树也与利用不同基因序列所得到的进化树并不矛盾。各品系间的分化时间约为3.03×104～1.21×105年前。根据序列的特征,16S rRNA的1个变异位点、Cyt b基因的4个变异位点和D-loop的14个变异位点可以作为鉴定不同的养殖品系和野生群体的SNP,证明mtDNA序列分析可以应用于品系的鉴定。     

模拟干湿交替对水稻土古菌群落结构的影响

干湿交替是自然界普遍存在的现象,但长期以来由于技术的限制,复杂土壤中微生物对水分变化的响应规律仍不清楚。针对我国江苏常熟湖泊底泥发育的典型水稻土,在室内开展湿润-风干以及风干-湿润各三次循环,每次循环中湿润、风干状态各维持7d,利用微生物核糖体rRNA的通用引物进行PCR扩增,通过高通量测序分析土壤古菌多样性变化,同时结合实时荧光定量PCR技术,在DNA和RNA水平研究古菌数量对干湿交替过程的响应规律。结果表明:水稻土湿润-风干过程中,在DNA水平土壤古菌数量降幅约为149倍~468倍,而在RNA水平降幅最高仅为2.06倍;水稻土风干-湿润过程中,在DNA水平古菌数量增幅在147倍~360倍之间,而在RNA水平增幅最高仅为2.95倍。表明在干湿交替过程中,DNA水平的古菌16S rRNA基因数量变化远高于RNA水平。基于高通量测序多样性的结果表明,在DNA和RNA水平,湿润土壤3次风干、以及风干土壤3次加水湿润7d恢复后,土壤古菌群落结构均发生统计显著性改变。在微生物门、纲、目、科和属的不同分类水平下,水稻土古菌主要包括3、10、13、14、10种不同的类群,在RNA和DNA水平的结果基本一致。干湿交替导致部分古菌类群发生显著变化,其中在微生物分类学目水平发生显著变化的古菌最高达到6种,主要包括产甲烷古菌和氨氧化古菌,如Methanobacteriales、Methanosarcinales、Methanomicrobiales和Nitrososphaerales等。这些研究结果表明,反复的干湿交替并未显著改变水稻土中古菌的主要类群组成,古菌类群的绝对数量和相对丰度发生了一定程度的变化,但这些变化与微生物生理作用的联系仍需进一步研究;风干土壤中古菌RNA序列极可能来自于完整的古菌细胞,暗示了这些古菌细胞能够较好地适应水稻土中水分的剧烈变化,风干状态的土壤在一定程度也可用于土壤古菌群落组成研究。     

一株富含类胡萝卜素光合细菌菌株GP-7的分离鉴定

从珠海横琴岛近海海水中筛选到一株光合细菌GP-7,测定了其类胡萝卜素含量,通过形态观察及16S rRNA编码序列同源性比较分析确认其种属,并对该菌的生长条件和生物学特征进行了初步的研究。结果表明：GP-7的类胡萝卜素质量分数为4.87 mg/g（干菌体）,该菌符合光合细菌的生物学特征,其最适pH为7.0,盐度为1.0%;16S rRNA基因分子系统学分析表明,该菌株与紫色非硫菌（Rhodoplanes）相似性为99.5%。     

The influence of soil properties on the structure of bacterial and fungal communities across land-use types

Land-use change can have significant impacts on soil conditions and microbial communities are likely to respond to these changes. However, such responses are poorly characterized as few studies have examined how specific changes in edaphic characteristics do, or do not, influence the composition of soil bacterial and fungal communities across land-use types. Soil samples were collected from four replicated (n = 3) land-use types (hardwood and pine forests, cultivated and livestock pasture lands) in the southeastern US to assess the effects of land-use change on microbial community structure and distribution. We used quantitative PCR to estimate bacterial–fungal ratios and clone libraries targeting small-subunit rRNA genes to independently characterize the bacterial and fungal communities. Although some soil properties (soil texture and nutrient status) did significantly differ across land-use types, other edaphic factors (e.g., pH) did not vary consistently with land-use. Bacterial–fungal ratios were not significantly different across the land-uses and distinct land-use types did not necessarily harbor distinct soil fungal or bacterial communities. Rather, the composition of bacterial and fungal communities was most strongly correlated with specific soil properties. Soil pH was the best predictor of bacterial community composition across this landscape while fungal community composition was most closely associated with changes in soil nutrient status. Together these results suggest that specific changes in edaphic properties, not necessarily land-use type itself, may best predict shifts in microbial community composition across a given landscape. In addition, our results demonstrate the utility of using sequence-based approaches to concurrently analyze bacterial and fungal communities as such analyses provide detailed phylogenetic information on individual communities and permit the robust assessment of the biogeographical patterns exhibited by soil microbial communities.     

西藏牦牛mtDNA 16S rRNA基因的克隆及其遗传多样性分析

本研究首次通过克隆、测序获得了11个西藏牦牛类群共111头个体的mtDNA 16S rRNA基因全序列,并分析了西藏牦牛的遗传多样性、分类关系、起源和分化,为进一步保护和合理利用西藏牦牛遗传资源以及探讨牦牛类群的划分提供分子依据。结果表明：西藏牦牛16S rRNA基因全序列长度为1571 bp或1570 bp（LWQ4）;G＋C平均含量37.8%,具有明显的碱基偏倚性;平均核苷酸多样性（Pi）为0.00291,平均单倍型多样性（Hd）为0.8501±0.0009,111个样本共发现48种单倍型并聚为2簇,表明西藏牦牛具有较高的遗传多样性并存在2个母系起源;Kimura双参数遗传距离范围为0.00098-0.00694,11个西藏牦牛类群划分为2大类：嘉黎牦牛、巴青牦牛、丁青牦牛、工布江达牦牛、帕里牦牛、斯布牦牛、康布牦牛、桑桑牦牛、江达牦牛、桑日牦牛为一类,类乌齐牦牛单独为一类。本研究发现类乌齐牦牛具有较丰富的遗传多样性,并且发现了一个序列特异个体LWQ4,需要对其进行更深入的研究。牛种间的聚类结果显示,西藏牦牛与美洲野牛的亲缘关系最近,与普通牛、水牛的亲缘关系相对较远,本研究支持将牦牛从牛属（Bos taurus）中分离出来,作为一个独立的牦牛属（Poephagus）的观点。     

不同干扰方式对喀斯特生态系统土壤细菌优势类群—变形菌群落的影响

以喀斯特原生林为对照,运用16S rRNA基因的PCR-RFLP和测序技术对该区不同人为干扰方式下土壤细菌的群落结构进行了分析。结果显示,4个样地中变形菌占总克隆子数的41.3%,是研究区土壤中的优势细菌类群。与原生林地相比较,受人为干扰的生态系统土壤中变形菌明显减少,自然恢复地、农耕地和放牧+冬季火烧草地减少了30.2%～47.4%。自然恢复地、放牧+冬季火烧草地与原生林地土壤中变形菌的4个亚群丰度分布关系一致,均为α->δ->β->γ-变形菌,而农耕地则为δ->α->β->γ-变形菌,说明自然恢复和放牧+冬季火烧草地对喀斯特土壤变形菌的恢复作用有限,而对变形菌4个亚群之间的分布关系有明显的正效应,尤其是自然恢复地中α-变形菌得到了很好的恢复,较农耕地增加了130%。四个样地中,占总克隆子数16.5%的克隆子被归类为根瘤菌目,且以原生林地最多,是3个干扰样地的1.6～3.7倍。基于以上研究结果,未来可考虑种植本土固氮植物结合接种相应的固氮微生物作为恢复喀斯特退化生态系统的措施之一。     

Genetic diversity and phylogeny of indigenous rhizobia from cowpea [<Emphasis Type="Italic">Vigna unguiculata</Emphasis> (L.) Walp.]

16S rRNA RFLP, 16S rRNA sequencing, 16S-23S rRNA Intergenetic Spacer (IGS) RFLP and G-C rich random amplified polymorphic DNA (RAPD) assays were conducted to genetically characterise indigenous cowpea [Vigna unguiculata (L.) Walp.] rhizobia from different geographic regions of China. Isolated cowpea rhizobia comprised six 16S rRNA genospecies. Genotype I was composed of 14 isolated strains and the reference strains of B. japonicum and B. liaoningense. This group was divided into two sub-groups respectively related to B. japonicum and B. liaoningense by 16S rRNA sequencing, IGS restriction fragment length polymorphism and RAPD assays. Genotype II composed of 27 isolates from a variety of geographic regions. Four different assays confirmed this group was genetically distinct from B. japonicum and B. liaoningense and probably represent an uncharacterised species. Strains isolated from Hongan, Central China and B. elkanii were grouped to genotype III. Strain DdE4 was solely clustered into genotype IV and related to Rhizobium leguminosarum. Genotypes V and VI consisted of six fast-growing isolates and clustered with reference strain of Sinorhizobium fredii. Comparing with the miscellaneous slow-growing isolates, fast-growing isolates mainly isolated from cowpea cultivar Egang I exhibited strict microbe–host specificity except SjzZ4. Nucleotide sequences reported were deposited in the GenBank with the accession numbers DQ786795–DQ786804.     

毛头鬼伞中一条新28S rRNA的发现及其同源性分析

本研究从担子菌毛头鬼伞（Coprinus comatus）菌丝中分离获得一条新的28S rRNA序列,序列长度为906bp（GenBank accession No.GU568178）。该序列是我们前期在从毛头鬼伞中克隆一种烟草花叶病毒（TMV）的抗性蛋白基因y3时意外获得的一条非目的条带。将此获得的序列通过NCBI的BLAST,以及与其同源序列进行Clustal w和MEGA聚类分析,证实该序列是28S rRNA,同时还发现毛头鬼伞的系统进化关系比较离散。此外,在这一新28S rRNA与TMV的抗性蛋白基因y3之间发现有两个同源区段有可能是PCR扩增y3基因时出现非目的条带的原因。在这两个同源区段中,其一区段与克隆y3基因时所用的PCR引物之一有较高的相似性,另一区段也是一般PCR引物的类似物。本研究中新28S rRNA序列的获得是PCR扩增中出现非目的条带的新例,该序列的发现及聚类分析的结果有助于真菌基因组学研究及真菌生物分子分类系统的建立。