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功能内生细菌Pn2定殖对小麦体内菲污染和土著细菌群落结构的影响

相妍冰  
【摘要】:多环芳烃(PAHs)是我国污染土壤中最常见的一类具有“致畸、致癌、致突变”效应的持久性有机污染物,可以被植物吸收积累,并通过食物链危害农产品安全和人群健康。如何减低污染区植物PAHs污染一直备受关注。近年来,利用具有PAHs降解功能的植物内生细菌来去除污染区植物PAHs已成为农业环境领域研究的热点之一。功能内生细菌能够有效地定殖在目标植物体内,促进植物生长,提高植物的耐受性,促进植物体内PAHs代谢。然而,功能内生细菌定殖对植物体内土著细菌群落结构和PAHs降解相关酶系活性有何影响?国内外相关研究仍很薄弱。阐明这一重要科学问题有助于丰富和完善功能内生细菌减低植物PAHs污染的作用机制。本论文选用实验室前期分离筛选的一株具有菲降解功能的内生细菌Pn2(Massilia sp.),在明确了其对抗生素的抗性以及产植物促生物质情况的基础上,利用温室盆栽试验,研究了菌株Pn2定殖对小麦(Triticum aestivum L.cv.Yangmai-16)生长和吸收积累菲的影响;探讨了定殖菌株Pn2后小麦体内土著细菌群落结构和PAHs降解相关酶系活性的变化。主要研究成果如下:1.阐明了功能内生细菌Pn2定殖对小麦吸收积累菲的影响。功能内生细菌Pn2定殖降低了小麦体内菲含量、积累量以及从根向茎叶的转运能力。采用抗生素抗性标记技术对功能菌株Pn2进行标记,其中Pn2对低浓度的氨苄青霉素(20mg·L-1)和氯霉素(20mg·L-1)有抗性。利用这两种抗性作为菌株Pn2的筛选标记,采用灌根的定殖方式将菌株Pn2定殖到小麦体内。结果表明,功能菌株Pn2可以良好地定殖在小麦组织中,并通过产生吲哚乙酸(IAA)和铁载体促进小麦生长,提高小麦生物量。较高密度的菌株Pn2定殖在小麦组织中能够有效地降低植物体内菲含量。例如,接种30 d后,小麦根部和茎叶部菌株Pn2的定殖数量分别为3.74-4.53和2.88-3.38 log cfu·g-1FW;与不接菌对照相比,高密度的Pn2定殖促使小麦根和茎叶组织中菲去除率分别提高15.5%-28.4%和20.8%-30.6%。同时,菌株Pn2定殖也能够提高污染土壤中菲的去除率。2.揭示了菌株Pn2定殖对小麦体内土著细菌群落结构的影响。分别提取小麦根和茎叶中内生细菌总DNA,采用IlluminaPE250测序技术研究了菲污染小麦组织中内生细菌群落结构及多样性动态。结果表明,内生细菌的群落结构取决于小麦组织中菲污染胁迫和外源功能内生细菌Pn2的定殖。在不同菲污染水平下,小麦组织中内生细菌的优势种群不尽相同,但变形菌门(Proteobacteria)和假单胞菌属(Pseudomonassp.)始终为优势种群。低(5mg·kg-1)、中水平(50mg·kg-1)菲污染强度下小麦体内内生细菌具有较高的丰富度和多样性。功能菌株Pn2定殖可提高小麦组织中内生细菌的丰富度和多样性。例如,低水平菲污染强度条件下,接种菌株Pn2可以显著提高小麦根和茎叶组织中内生细菌的丰富度(p0.05)。然而,功能菌株Pn2定殖只能部分改变小麦组织中内生细菌的群落结构。例如,接种菌株Pn2后,小麦组织中厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度要高于不接菌对照组;小麦根中Pseudomonassp.的相对丰度要高于对照组,但小麦茎叶中Pseudomonas sp.的相对丰度则显著低于对照组(p0.05)。3.探明了菌株Pn2定殖对小麦体内PAHs代谢酶系活性的影响。功能菌株Pn2定殖可以影响小麦体内PAHs代谢相关酶系活性。小麦体内PAHs代谢酶系活性取决于小麦组织中菲含量和外源功能内生细菌Pn2的定殖。在不接菌对照组中,菲胁迫使小麦组织中多酚氧化酶(PPO)和过氧化物酶(POD)活性先增强后减弱,且当土壤中菲污染强度为50mg·kg-1时,小麦组织中PPO和POD活性最高。接种功能菌株Pn2后,小麦组织中PPO和POD活性都增强。例如,功能菌株Pn2接种20d后,可以显著提高小麦根部PPO活性(p0.05);而当菌株Pn2分别接种20d和40d后,可以显著提高小麦根部POD活性(p0.05)。


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