酸性胁迫下Ca、P及接种量对苜蓿-根瘤菌体系群体感应及固氮性能的影响

论文摘要

全世界耕地和潜在可耕地的50%是酸性土壤,而我国酸性土壤遍及南方15个省区,总面积达2.03×107hm2,约占全国土地总面积的21%。由于气候和长期施用化肥等因素,这个比例还在扩大。酸性土壤抑制豆科植物及其根瘤菌的存活,进而影响共生固氮体系固氮性能和生物产量。本文以紫花苜蓿和耐酸苜蓿根瘤菌为研究对象,研究施钙、磷和耐酸苜蓿根瘤菌接种量对酸性条件下紫花苜蓿生长、苜蓿结瘤固氮以及根瘤菌群体感应的影响,初步探讨了不同钙、磷水平和根瘤菌接种量与苜蓿生长和根瘤菌群体感应水平相互之间的关系。通过研究,取得了以下结果：（1）红色荧光蛋白质粒pDsRed2-1在大肠杆菌DH5a内可大量表达,并且能够发出稳定的红色荧光。在大肠杆菌DH5α体内提取的pDsRed2-1质粒通过电转化方法成功导入根瘤菌,质粒在根瘤菌体内能够连续传代。为根瘤菌的生长和结瘤性能研究提供更为简便和准确的高效检测手段。（2）在酸性环境中,环境pH是影响苜蓿产量和品质的主要因子,施加钙、磷和接种不同浓度耐酸根瘤菌可以在一定程度上降低环境pH对苜蓿生长的负效应。钙是影响根际微生态环境的主要因素,起决定性作用,营养元素磷在钙的基础上发挥良好的促进作用,高浓度钙起抑制作用。当钙浓度为5mmol/L、磷浓度为4μmol/L时,效果较佳；根瘤菌接种量为109CFU/mL时最好；施钙、磷的处理对根瘤菌群体感应水平、根瘤菌数目、根毛变形率、结瘤率和固氮酶活较不施钙、磷的处理分别提高116.7%、50.1%、320%、163.2%和78.6%。接种耐酸根瘤菌的处理对根瘤菌群体感应水平、根瘤菌数目、根毛变形率、结瘤率和固氮酶活较不接种的分别提高1452.7%、170%、336.6%、499%和277.4%。在有限的空间内,钙、磷、接种耐酸根瘤菌提高了根瘤菌群体感应水平,促进根瘤菌繁殖、数目的增加,致使结瘤率的提高,增加根瘤鲜重；提高苜蓿根毛变形率,使苜蓿结瘤提前、同期结瘤数增加和固氮酶活性提高。（3）在酸性环境中,施加不同钙、磷水平和接种根瘤菌对苜蓿植株瘤重等农艺性状有极显著或显著影响。钙、磷直接作用于根际微生态环境,改善微生态环境,并提高根瘤菌存活,提高根瘤固氮酶活性,增强共生体系结瘤固氮性能,从而促进苜蓿生长,改善苜蓿农艺性状。施钙、磷的处理对苜蓿瘤鲜重、株高、植株鲜重、根鲜重和全氮含量较不施钙、磷的处理分别提高667.7%、80.2%、82.9%、196.2%和26.2%；施不同钙、磷水平处理对紫花苜蓿瘤鲜重、株高、全氮含量的影响均达到了极显著水平（p<0.01）,对苜蓿植株鲜重和根鲜重的影响达到了显著水平（p<0.05）。并当钙浓度为5mmol/L、磷浓度为4μmol/L时,效果较佳。接种耐酸根瘤菌的处理对苜蓿瘤鲜重、株高、植株鲜重、根鲜重、上部鲜重和全氮含量较不接种的分别提高1800%、451%、315.4%、361.5%、864.2%和180.9%。接种不同浓度根瘤菌对苜蓿各农艺性状的影响均达到极显著水平（p<0.01）。接种不同浓度耐酸根瘤菌直接提高苜蓿根瘤菌群体感应水平,提高根瘤固氮酶活性,改良苜蓿农艺性状。（4）通过SPSS相关关系分析,瘤重与株高、根鲜重、地上部鲜重和植株全氮呈极显著或显著相关关系。说明施用适当浓度的钙、磷、接种一定量耐酸根瘤菌以及共生系统良好的结瘤性能能够提高酸性土上紫花苜蓿的产量和品质。（5）在酸性环境中,不同钙、磷水平对紫花苜蓿根系草酸、苹果酸分泌量的影响均达到了极显著水平（p<0.01）。施钙、磷的处理对苜蓿根系草酸和苹果酸分泌量较不施钙、磷的处理分别减少26.1%和72.1%；施加钙、磷后,根系草酸和苹果酸的分泌量减少,钙是影响根系草酸和苹果酸分泌的主要因素,起决定性作用,营养元素磷在钙的基础上对根系草酸分泌发挥良好的促进作用,对根系苹果酸分泌起抑制作用；钙可抵御酸性胁迫,根际加入钙可改善根部环境,致使根不需再分泌更多的草酸和苹果酸来抵御外界环境。接种耐酸根瘤菌的处理对苜蓿根系草酸和苹果酸分泌量较不接种的处理分别减少34.7%和39.2%；根瘤菌接种量为105CFU/mL时,即可抑制苜蓿根系草酸和苹果酸的分泌,当接种量达到或超过108 CFU/mL时,对根系草酸和苹果酸的分泌无显著影响。（6）在酸性环境中,施加钙、磷和接种不同耐酸根瘤菌接种量对培养环境中根瘤菌数量的影响均达到了极显著水平（p<0.01）；在酸性环境中,施加钙、磷和不同接种量的耐酸根瘤菌对根瘤菌群体感应的影响均达到了极显著水平（p<0.01）,说明施加钙、磷水平和接种耐酸根瘤菌,可以提高根瘤菌群体感应水平；并且钙、磷浓度和根瘤菌接种浓度分别为5mmol/L、4μmol/L和109 CFU/mL时根瘤菌群体感应水平最强。通过SPSS软件相关关系分析,根瘤菌群体感应水平和根瘤菌数量呈正相关关系,根瘤菌数量越多,根瘤菌群体感应水平就越强；反之亦然。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 文献综述
• 1.1 我国酸性土壤性状及其成因
• 1.1.1 酸性土壤现状
• 1.1.2 土壤酸化的主要原因及其形成过程
• 1.2 钙、磷营养元素对土壤pH、豆科植物以及根瘤菌影响的研究
• 1.2.1 钙对土壤pH、豆科植物及根瘤菌影响的研究
• 1.2.2 磷对土壤pH、豆科植物及根瘤菌影响的研究
• 1.3 紫花苜蓿研究现状
• 1.4 群体感应研究现状
• 1.4.1 细菌中的群体感应系统研究现状
• 1.4.2 根瘤菌群体感应系统研究现状
• 1.5 红色荧光蛋白简介
• 1.5.1 红色荧光蛋白的特性及发光机制
• 1.5.2 红色荧光蛋白的应用
• 第2章 绪论
• 2.1 研究背景和意义
• 2.2 研究目标及内容
• 2.2.1 预期目标
• 2.2.2 研究主要内容
• 2.3 拟解决的关键问题
• 2.4 研究的可行性
• 2.5 研究思路及技术路线
• 第3章 材料与方法
• 3.1 试验材料
• 3.1.1 主要试剂
• 3.1.2 主要仪器
• 3.1.3 供试菌株和质粒
• 3.1.4 培养基和植物营养液
• 3.1.5 供试土壤样品采集及采样时间
• 3.1.6 供试土壤和植物材料
• 3.1.7 试验地点概况
• 3.1.8 玻璃珠分室培养箱设计
• 3.2 试验设计
• 3.2.1 耐酸根瘤菌的筛选
• 3.2.2 Ca、P和根瘤菌对水培体系中紫花苜蓿及根瘤菌群体感应作用效果研究
• 3.2.3 Ca、P和根瘤菌对酸性土壤中紫花苜蓿及根瘤菌群体感应作用效果研究
• 3.3 研究方法
• 3.3.1 土样处理及常规性质测定
• 3.3.2 紫花苜蓿无菌幼苗准备
• 3.3.3 RFP标记大肠杆菌及耐酸根瘤菌菌株
• 3.3.4 群体感应水平的测定
• 3.3.5 根瘤菌数量的测定
• 3.3.6 紫花苜蓿根系有机酸分泌的测定
• 3.3.7 紫花苜蓿根毛变形率检测
• 3.3.8 紫花苜蓿结瘤检测及固氮酶活性测定
• 3.4 数据处理
• 第4章 结果与分析
• 4.1 耐酸根瘤菌的筛选
• 4.2 RFP标记大肠杆菌及耐酸根瘤菌菌株
• 4.2.1 RFP标记大肠杆菌DH5α菌株
• 4.2.2 RFP标记根瘤菌电泳检测
• 4.3 不同培养时期耐酸根瘤菌91522群体感应水平
• 4.4 水培条件下钙、磷营养元素对紫花苜蓿生长及根瘤菌群体感应水平研究
• 4.4.1 钙、磷营养元素对水培体系中紫花苜蓿生长及产量和品质的影响
• 4.4.2 钙、磷营养元素对水培体系中苜蓿根瘤菌数量及群体感应水平的影响
• 4.5 根瘤菌接种量对水培体系中紫花苜蓿生长及根瘤菌群体感应水平研究
• 4.5.1 根瘤菌接种量对水培体系中紫花苜蓿生长及产量和品质的影响
• 4.5.2 不同根瘤菌接种量对水培体系中苜蓿根瘤菌数量及群体感应水平的影响
• 4.6 钙、磷营养元素对酸性土壤中紫花苜蓿生长及根瘤菌群体感应水平研究
• 4.6.1 钙、磷营养元素对酸性土壤中中紫花苜蓿生长及产量和品质的影响
• 4.6.2 不同钙、磷浓度对酸性土壤中苜蓿根瘤菌数量及群体感应水平的影响
• 4.7 根瘤菌接种量对酸性土壤中紫花苜蓿生长及根瘤菌群体感应水平研究
• 4.7.1 不同根瘤菌接种量对酸性土壤中紫花苜蓿生长及产量和品质的影响
• 4.7.2 不同根瘤菌接种量对酸性土壤中苜蓿根瘤菌数量及群体感应水平的影响
• 第5章 讨论
• 5.1 RFP标记根瘤菌菌株研究
• 5.2 Ca、P和根瘤菌处理对酸性胁迫下紫花苜蓿生长及产量和品质的影响
• 5.3 Ca、P和根瘤菌对酸性胁迫下苜蓿根瘤菌群体感应的影响
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 发表论文及参加课题一览表