氮肥运筹调控下水稻根际土壤生物学特性分析

论文摘要

氮素对水稻的生长有重要的作用，有效的氮肥运筹方式能够提高水稻的产量。随着近年来大量的大穗型高产水稻的选育及种植，传统的氮肥运筹方式应经不能保证这些高产水稻潜力的发挥。已有研究表明氮肥后移的施肥方式能够适应大穗型水稻高产潜力的发挥，但是这些研究主要集中在氮素利用效率等基本生理指标上，较少涉及与氮素营养密切相关的根际微生物的研究。本文主要研究不同氮肥运筹调控下水稻根际土壤微生物的特性分析。本文以大穗型水稻品种（Oryza sativa L. ssp. indica）“金恢809”为材料，在重施基肥的传统氮肥运筹方式（基肥:分蘖肥:穗肥=6:3:1，NT）和氮肥适当后移的施肥方式（基肥:分蘖肥:穗肥:粒肥=5:1:3:1，NP）下，考察分析两种氮肥运筹方式下的水稻地上部生理指标、土壤酶活、微生物群落结构变化及其与酶活相关性及微生物功能差异。为此本文从宏基因组学及宏蛋白质组学的思路出发，运用T-RFLP（末端限制性片段长度多样性）、土壤蛋白质组学两种主要技术，探讨不同氮肥运筹方式下氮肥对根际细菌群落结构的影响及微生物功能研究。主要结果如下：（1）通过对水稻地上部生理指标及土壤酶活性考察表明，较之于传统的重施基肥，NP氮肥运筹有利于水稻高产。在该种施肥方式下水稻叶面积指数、叶片叶绿素SPAD值、成穗率、产量及产量构成因素都有相应的提高。同时，在同时期下NP施肥方式的土壤脲酶及蔗糖酶活性都比传统的施肥方式要高。（2）T-RFLP结果显示，不同氮肥运筹方式下，水稻根际土壤微生物具有不同的多样性。氮肥后移增加孕穗期土壤根际微生物的多样性，在孕穗期及灌浆期分别检测到175类及117类微生物，而传统的施肥方式下为84类及197类。在所鉴定出的129个已知属中，不同氮肥运筹不同时期下4个处理中共有的属仅有丁酸弧菌属、弗兰克氏菌属、根瘤菌属、类芽孢杆菌属等12个属，占总数的9.3%；3个处理共有的有钩端菌属、链霉菌属、浮霉菌属等18个属；两两共有的属有棍状菌属、短杆菌属等27个属；其余的为各个处理所特有的属。说明氮肥运筹对于水稻根际土壤微生物有复杂的影响。T-RFLP与土壤酶活的相关性分析表明，NP氮肥运筹方式下水稻根际微生物能够提高土壤脲酶和蔗糖酶活性。但是氮肥对这两种酶活性的影响在水稻不同时期有着不一样的影响方式。对蔗糖酶而言，NP氮肥运筹明显提高根际土壤中与蔗糖酶活性正相关的微生物类群，而且在灌浆期尤为显著。对脲酶而言，情况则不大一样，NP氮肥运筹主要影响根际土壤中与脲酶活性负相关的微生物类群，主要影响时期也是在灌浆期。（3）构建了两种氮肥运筹方式下水稻孕穗期以及灌浆期的根际土壤蛋白图谱，通过分析共有180个差异表达的蛋白点，其中134个蛋白点得到质谱鉴定，主要来源于土壤微生物，植物及动物。通过对这些蛋白的功能分析发现，氮素通过影响水稻根际微生物的蛋白质及氨基酸代谢，微生物细胞发育及能动性，信号转导与物质转运，抗逆响应，碳循环及能量代谢以及根系分泌物和微动物的相关代谢活动，从而对根际生态系统产生影响.综上所述，NT和NP两种不同氮肥运筹调控下，增加后期氮肥用量的NP调控方式有利于水稻产量及产量构成因素等生理指标朝水稻高产方向转变。NP调控方式明显增加了孕穗期水稻根际土壤微生物的多样性。与土壤中脲酶及蔗糖酶活性的相关性分析表明，土壤中微生物与土壤酶活具有复杂性。NP调控方式分别增加与脲酶、蔗糖酶负相关及正相关微生物类群来影响土壤氮素营养。宏蛋白质组学分析结果表明根际土壤存在微生物、动物及植物来源蛋白。其中微生物来源蛋白为主要组成部分，其蛋白质及氨基酸代谢，细胞发育及能动性，信号转导与物质转运，抗逆响应，碳循环及能量代谢等均受到氮素营养影响.

论文目录

• 缩略词
• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 氮素管理、调控与水稻栽培研究
• 1.1.1 氮肥管理与水稻高产栽培研究
• 1.1.2 氮肥运筹调控与水稻高产栽培研究
• 1.2 水稻土壤根际微生物与氮素营养
• 1.2.1 根际土壤微生物研究意义
• 1.2.2 根际土壤微生物生态态研究方法
• 1.2.3 氮肥调控下水稻根际土壤微生物研究现状
• 1.3 本研究的目的和研究内容
• 第二章 不同氮肥运筹方式对水稻植株生长的生理生态分析
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 材料培养
• 2.1.2 生理指标测定及产量性状考察
• 2.2 土壤酶活性测定
• 2.2.1 蔗糖酶活性
• 2.2.2 脲酶活性
• 2.3 结果与分析
• 2.3.1 不同氮肥比例运筹方式对水稻植株生长的影响
• 2.3.1.1 不同氮肥比例对水稻叶片叶绿素 SPAD 的影响
• 2.3.1.2 不同氮肥比例对水稻叶面积指数的影响
• 2.3.1.3 不同氮肥施用比例对水稻成穗率的影响
• 2.3.1.4 不同氮肥比例运筹对水稻产量及产量构成的影响
• 2.3.2 不同氮肥施用模式对根际土壤酶活的影响
• 2.4 小结
• 第三章 不同氮肥运筹方式对水稻根际土壤微生物群落组成的影响
• 3.1 根际土壤细菌的 T-RFLP 分析
• 3.1.1 土壤总 DNA 的提取
• 3.1.2 基因组总 DNA 的 T-RFLP 分析
• 3.1.3 序列分析
• 3.2 不同氮肥比例运筹下水稻根际微生物群落分析
• 3.2.1 水稻根际土壤微生物基因组总 DNA 的提取纯化、PCR 产物、酶切产物检测
• 3.2.2 不同氮肥比例运筹下水稻根际土壤细菌的 T-RFLP 图谱分析
• 3.2.3 不同氮肥运筹调控下不同生长时期水稻根际土壤细菌的系统群落结构分析
• 3.2.4 不同氮肥运筹方式下土壤中微生物与土壤酶活相关性分析
• 3.2.4.1 不同氮肥运筹方式下土壤中微生物与蔗糖酶活相关性分析
• 3.2.4.2 不同氮肥运筹方式下土壤中微生物与脲酶活相关性分析
• 3.3 不同氮肥运筹方式下水稻根际土壤细菌群落主成分分析
• 3.4 小结
• 第四章 不同氮肥运筹方式下水稻根际土壤宏蛋白质组学分析
• 4.1 根际土壤的差异宏蛋白组学分析
• 4.1.1 土壤蛋白样品制备及双向电泳
• 4.1.1.1 土壤蛋白的提取及纯化
• 4.1.1.2 双向电泳（2-DE）
• 4.2 蛋白质点胶内酶解
• 4.3 MALDI-TOF/TOF MS（基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱）分析
• 4.4 数据库检索
• 4.5 结果与分析
• 4.5.1 不同氮肥施用模式对根系土壤蛋白组学的影响
• 4.5.1.1 根际土壤蛋白图谱构建
• 4.5.1.2 差异蛋白点质谱鉴定
• 4.5.1.3 蛋白点丰度分析
• 4.6 小结
• 第五章 结果讨论与展望
• 5.1 氮肥对水稻地上部生长的影响
• 5.2 氮肥对根际土壤相关酶活性的影响
• 5.3 氮肥对根际土壤细菌群落的影响
• 5.4 氮肥对根际土壤宏蛋白组学的影响
• 5.4.1 微生物来源蛋白
• 5.4.1.1 蛋白质及氨基酸代谢相关蛋白的响应
• 5.4.1.2 微生物细胞发育及能动性相关蛋白
• 5.4.1.3 信号转导与物质转运相关蛋白
• 5.4.1.4 抗逆相关蛋白的响应
• 5.4.1.5 碳循环相关蛋白
• 5.4.2 植物来源蛋白
• 5.4.3 动物来源蛋白
• 5.5 结论
• 参考文献
• 附录 Ⅰ：不同氮肥运筹方式下水稻根际土壤蛋白 2-D 图谱
• 附录 Ⅱ：土壤差异蛋白鉴定结果列表
• 致谢