连作根系分泌物加剧土传病害的机制和缓解措施研究进展

基于植物-土壤反馈理论,连作体系中的根系分泌物必然在加剧土传病害发生中起重要作用,但相关研究证据尚缺少系统总结。本文梳理了连作加剧土传病害发生的现象以及连作累积典型根系分泌物组分的案例。从有利于土传病原菌由土体向根际迁移、增殖和致病(“利病”)、破坏根际有益微生物群落防线(“压益”)和毒害根系免疫系统(“自毒”)等三个方面,阐述连作根系分泌物中某些物质促进土传病原菌入侵的机制。从根系分泌物的角度阐述轮作、间作、套作、伴生和嫁接等多样性种植方式缓解连作土传病害的发生机制。提出鉴定“利病”、“压益”和“自毒”物质以及构建对应的消减技术途径,可为土传病害绿色高效综合防控提供科学支撑。

单细胞分选与测序技术在环境微生物领域的应用及前景

随着对环境微生物生态系统认知的深化,对其深入研究的需求持续增加,传统的培养组学和环境DNA测序等研究手段已经难以满足对微生物物种和功能多样性的全面了解。单细胞分选与测序技术为环境微生物研究开创了全新的视角,成为该领域的热点与前沿。单细胞技术将微生物研究的焦点从群落水平深入到个体细胞层面,通过精准分选并测序单个微生物细胞,深入挖掘微生物的种间和种内多样性以及功能特性。本综述介绍单细胞技术在环境微生物研究中的应用,详细论述单细胞分选和基因组扩增的关键过程,并探讨单细胞测序数据解析过程中的生物信息学基本流程,为单细胞分选与测序技术在环境微生物研究中的发展提供借鉴和启示。

病原青枯菌土壤存活的影响因素研究进展

土传青枯病是一种毁灭性的细菌性病害,广泛分布于热带、亚热带和温带地区,严重威胁世界粮食安全。病原青枯菌主要从土壤中侵染作物根系,其在土壤中存活能力强,因此防治极为困难。明确病原青枯菌土壤存活的关键影响因素有助于创建高效阻控土传青枯病的技术。国内外学者在青枯菌土壤存活方面开展了大量研究,但由于影响青枯菌土壤存活的因素复杂,而相关研究多围绕单一因素展开,缺乏针对青枯菌土壤存活规律和影响因素的系统性认识。本文系统梳理了青枯菌的自身特性(基因、行为和代谢产物)及土壤生物、非生物因素对其在土壤中存活的影响,阐明了青枯菌在寄主存在时土体存活、向寄主根表方向运动迁移时根际存活以及入侵寄主根系时根表存活的主要影响因子,以期为土传青枯病的高效阻控提供参考。

高温秸秆降解菌的筛选及其纤维素酶活性研究

筛选能在高温(55~75℃)好氧堆肥中高效降解纤维素的菌株,并评估其降解秸秆的能力与产纤维素酶的热稳定性。从高温期堆肥中采样,以水稻秸秆粉为唯一碳源,通过55、65℃和75℃连续高温传代驯化并分离筛选耐高温菌,结合水解圈和水稻秸秆崩解试验筛选不同高温下高效降解秸秆的目标菌株,采用16S rRNA测序和系统发育分析鉴定目标菌株分类地位,通过分析目标菌株纤维素降解相关酶在50~90℃之间的热稳定性,解析其高温适应性机制,评价其在实际生产中的应用潜力。高温驯化分离得到13株耐高温降解菌,其中B-5、B-6、B-7和B-11的纤维素和秸秆降解能力较强,而只有B-7和B-11在55~65℃和75℃具有高效降解水稻秸秆的能力,将其认定为目标菌株。系统发育分析表明B-7和B-11菌株与芽孢杆菌科高度相似,分别命名为短小芽孢杆菌B-7和嗜热脂肪芽孢杆菌B-11。酶活热稳定性分析发现B-7和B-11各纤维素酶活性在50~90℃之间先升高后降低,其最适温度范围不同,分别为55~65℃和70~80℃,其中B-11在85℃时的相对酶活仍高于60%。研究表明,菌株B-7和B-11是耐高温高效秸秆降解菌,其具有不同高温偏好性,纤维素酶热稳定性强,在秸秆高温好氧堆肥中具有潜在的应用前景。

土壤微团聚体中矿物-有机复合体特征

以国家肥力网湖南祁阳红壤长期定位试验站的长期施有机肥和长期施化肥的土壤为研究对象,采用干筛法获得土壤微团聚体。利用同步辐射红外显微成像法研究土壤微团聚体中黏土矿物和有机官能团的原位分布图谱及其相关性。结果表明:土壤中黏土矿物(3 620 cm-1)和大分子有机物(脂肪,2 920 cm-1;蛋白质,1 650 cm-1;多糖,1 080 cm-1)呈高度异质性的分布规律。其中,黏土矿物和多糖有较为相似的分布模式;而黏土矿物和脂肪、蛋白类物质则呈现差异较大的分布模式。与长期施化肥处理的土壤微团聚体相比,长期施有机肥处理的土壤微团聚体中黏土矿物和大分子有机物呈现更高的分散性。此外,施有机肥和化肥处理土壤微团聚体样品中黏土矿物与有机官能团的决定系数(R2)均为:黏土矿物-脂肪>黏土矿物-多糖>黏土矿物-蛋白质,表明土壤微团聚体中黏土矿物和大分子有机物的亲和性有差异,且该差异不受长期施肥处理的影响。同步辐射微区域红外谱进一步表明,从土壤微团聚体外部到内部,黏土矿物的特征峰和大分子有机物的特征峰强度均逐渐增加。

生物质炭载体联合有益菌防控番茄土传青枯病的效果研究

土传青枯病是由青枯菌(Ralstonia solanacearum)引起的一种细菌性病害。根际有益细菌在青枯病的防控中发挥着重要作用,其在根际有效定殖是发挥生防作用的前提。以玉米秸秆、木块(松木)和稻壳为原料制成的3种生物质炭为有益菌Bacillus amyloliquefaciens T-5的载体,探究生物质炭对有益菌防控番茄土传青枯病效果的影响,并利用室内模拟试验探究生物质炭对青枯菌的吸附、固持以及对根系分泌物的吸附作用,旨在阐述施用生物质炭提升有益菌T-5抑制病原青枯菌能力的可能机制。温室试验结果表明:单独施用3种生物质炭均显著降低青枯病的发病率和根际青枯菌的数量,其中具有高比表面积的木块生物质炭的防控效率达到60.56%。3种生物质炭作为有益菌T-5的载体均能够显著提升有益菌T-5的根际定殖数量及其防病效率,其中木块生物质炭的提升效果最好。与仅接种青枯菌的对照相比,木块生物质炭与有益菌T-5组合处理的根际青枯菌数量降幅达97.42%;与单独有益菌T-5处理相比,有益菌T-5以木块生物质炭为载体使其根际定殖数量提高了5.71倍。进一步研究发现,木块生物质炭能够有效吸附青枯菌,吸附量接近90.00%,且能够有效固持吸附的青枯菌,青枯菌的逃离降低了96.66%。此外,生物质炭不仅可以有效吸附根系分泌物,且有益菌T-5能够有效利用这些根系分泌物并抑制青枯菌的生长。生物质炭作为生防有益菌的载体,促进根际有益菌的定殖能力,并吸附、固持病原菌,有效抑制土传青枯病的发生。

硝化抑制剂对糯玉米产量和氮肥利用率的影响

为明确大田试验条件下硝化抑制剂(2-氯-6-(三氯甲基)吡啶,CP)对江苏地区糯玉米农艺性状、产量、氮素吸收利用效率、土壤铵态氮和硝态氮的影响,以糯玉米品种苏玉糯5号为供试材料,设置不施氮对照(N0)、农民常规施氮(N,以当地高产玉米施氮量为参照)、农民常规施氮+硝化抑制剂(N+CP)、减氮25%(-25%N)、减氮25%+硝化抑制剂(-25%N+CP)5个处理。结果表明:在减氮25%的条件下,配施CP处理可显著提高糯玉米产量,-25%N+CP处理相较于-25%N处理提高了15%~17%,且-25%+CP处理后,糯玉米部分农艺性状及产量与农民常规施氮无显著差异;配施CP处理后土壤中铵态氮的含量比相应的不施CP处理高,其中N+CP处理相较于N处理高出179%~224%,硝态氮含量减少35%;-25%N+CP处理土壤中的铵态氮含量相较于-25%N处理高出202%~261%,硝态氮含量减少30%~36%;配施CP可提高糯玉米的氮积累量、氮肥偏生产力和氮肥农学效率,其中-25%N+CP处理的糯玉米利用效率最高。综合考虑在保持糯玉米产量的同时提高氮肥利用率,推荐减施25%化学氮肥并配施硝化抑制剂,可为实现糯玉米在农业生产上“减氮增效”的目标提供依据。

一株青枯菌专性噬菌体的分离及应用效果研究

土传青枯病是最严重的细菌性病害之一,专性侵染细菌的病毒——噬菌体在青枯病的防控中发挥重要作用。前期研究发现不同地区的青枯菌在遗传型和生理型上呈现高度多态性,但噬菌体宿主专一性强,对来自同一地方的青枯菌的侵染能力较强。拟针对特定地区的病原青枯菌,从原位筛选高效稳定的噬菌体,并探究其抑菌的稳定性。以分离自南京麒麟大棚的一株病原青枯菌为宿主,从同一地区病土中筛选其专性噬菌体;并从中筛选出一株抑菌能力最强的噬菌体NJ-P3,室内检测了其基础生物学特性、稳定性和最佳保存方式,盆栽试验探究其最佳应用方式。噬菌体NJ-P3属于裂解性短尾噬菌体,基因组中含有特殊的蛋白可能与其强裂解性相关;抗逆性强,能够耐受50℃高温、4-10的pH、紫外线80 min的照射;在SM缓冲液中低温保存效果稳定,常温条件可短期保存;盆栽试验结果表明与传统灌根法相比,茎部注射方式接种噬菌体NJ-P3应用效果更好,对土传青枯病的防控效果提高了37.5%。从原位筛选到一株高效稳定的青枯菌专性噬菌体,系统地研究了其最佳保存条件和应用方式,为建立青枯菌噬菌体资源库防控土传病害的广泛应用奠定理论基础。

降解水稻秸秆细菌-真菌复合菌系的构建与评价

为筛选构建高效降解水稻秸秆的细菌-真菌复合菌系,通过分离筛选、纯化鉴定具备降解水稻秸秆能力的细菌和真菌,选择出降解效率较高的细菌和真菌各两株用于复配。通过全组合将4株菌复配成多样性为1~4的15种复合菌系,采用水稻秸秆降解试验评估复合菌系的降解效果和3种纤维素降解酶的活性,利用线性拟合和多元回归解析复合菌系产酶活力与其降解秸秆能力之间的关系。从腐解的水稻秸秆中筛选获得降解细菌和真菌各4株,其中以细菌分离株雷氏普罗威登斯菌BB18、球形赖氨酸芽孢杆菌JB7和真菌分离株草酸青霉ZA、烟曲霉ZL的秸秆降解能力和产滤纸酶活力较高。将该4株降解效果较高的菌株进行全组合复配,发现复合菌系对水稻秸秆的降解率以及产滤纸酶、纤维素内切酶和木聚糖酶的活性均随菌株多样性的增加而显著提高,且以4株菌株组合的复合菌系BF1对水稻秸秆的降解效果最好,较单菌平均提高了1.6倍,酶活力增加了1~3倍。相关分析结果表明,复合菌系降解水稻秸秆的能力与3种酶的活力呈显著正相关,其中纤维素内切酶和木聚糖酶对复合菌系降解能力的贡献最大。细菌-真菌复合菌系的降解效果与产酶能力具有明显的多样性效应,维生素内切酶和木聚糖酶是驱动细菌-真菌复合菌系高效降解秸秆的关键因子。

畜禽粪便堆肥过程中微生物群落演替

为了满足日常肉蛋奶的需求,畜禽养殖业快速发展,与此同时产生的大量畜禽粪便亟需处理。堆肥作为一种高效、无害化、资源化的处理方式,被广泛应用于畜禽粪便的处理。畜禽粪便堆肥是通过微生物活动,将不稳定的有机物质分解转化合成为稳定的腐殖质的过程。了解微生物群落演替的基本规律,是发展堆肥新方法与理论的重要基础。论文梳理了畜禽粪便堆肥不同阶段中微生物群落结构和功能演替规律,总结了堆肥起始物料的特性(含水量、pH、C/N等)和人为活动(翻堆曝气、菌剂接种)对堆肥微生物群落演替的影响,比较了当前堆肥微生物群落的研究方法。提出了未来畜禽粪便堆肥研究值得重视的科学问题和研究方向,为指导未来的工作提供支持。

长期施肥下红壤中类芬顿反应及其对碳储存的影响

以祁阳红壤长期定位试验站的施用有机肥和化肥的土壤为研究对象,结合不同孔径(1000μm、20μm和0.45μm)的原位微宇宙培养试验,通过高效液相色谱、高通量测序、同步辐射红外显微成像和X射线光电子能谱等技术手段研究了长期施肥处理对红壤中类芬顿反应的调控能力及其对红壤有机碳储存的影响。结果表明,长期施用化肥的红壤中H2O2、HO?及Fe(II)含量均显著高于长期施用有机肥。根系分泌物和微生物的参与也能够调控H2O2、HO^*和Fe(II)含量,且H2O2和HO^*含量呈线性关系。长期施用有机肥的红壤具有很好的H2O2缓冲性能,而长期施用化肥的红壤可能由于发生了退化(如土壤有机质含量低),H2O2缓冲性能较差。长期施用有机肥的红壤中微生物丰富度和多样性指数均显著高于长期施用化肥的红壤。植物根系和微生物的进入对长期施用有机肥的红壤中细菌群落结构影响较小,而对长期施用化肥的红壤中细菌群落结构影响较大。长期施用有机肥的细菌群落影响了土壤pH、可溶性有机碳、可溶性Fe和CO2释放;而长期施用化肥的细菌群落可能通过产生H2O2和还原态Fe(II)引发了土壤中的芬顿反应。根-土界面上黏土矿物(3619cm^-1)、脂肪碳(2914cm^-1)、羧酸碳(1725cm^-1)、羟基碳(1135cm^-1)的分布模式有较大差异,其中根系的出现增加了根-土界面上Fe(II)比例。综上,本文提出了有效增加亚热带红壤土壤有机碳的概念模型。

葫芦与西瓜砧穗在不同土壤上根际碳代谢指纹特征与差异

土传病害的发生与微生物关系密切,但砧穗互作下根际微生物活性变化尚不明确。为阐明在不同土壤类型下,砧穗互作对根际微生物活性的影响,采集黑土(吉林)、砖红壤(海南)、黄棕壤(江苏)和灰漠土(新疆)四种类型土壤,并在每种土壤上均种植自根葫芦、自根西瓜、嫁接西瓜(葫芦砧木)以及嫁接葫芦(西瓜砧木),利用Biolog培养技术探究不同处理下根际微生物碳源代谢活性的差异。结果表明,不同土壤类型下微生物代谢活性差异显著(R^2=0.534,p<0.001),不同嫁接植物之间根际微生物碳源利用同样存在显著差异(R^2=0.075,p<0.001)。不同嫁接处理根际微生物对碳源的综合代谢水平自根西瓜>嫁接葫芦(西瓜砧木)>嫁接西瓜(葫芦砧木)>自根葫芦。聚类推进树(Aggregated boosted tree,ABT)分析显示土壤有效磷、速效钾是影响微生物碳源利用的主要因子。评估不同土壤类型下根际微生物碳代谢活性对砧穗互作的响应,可为防控土传病害提供依据。

噬菌体靶向消减土壤生物污染的制约因素及提升策略

土壤中存在能够威胁植物、动物和人体健康的病原细菌,消减这类土壤生物污染是一体化健康(One Health)的重要任务。因具有宿主细菌专一性强、侵染效率高、环境扰动性小等特性,噬菌体成为生态消减土壤病原细菌生物污染的重要手段。然而,由于土壤生物和非生物环境的复杂性,提升噬菌体消减土壤生物污染的效果和稳定性仍是当前的重大挑战。本文从噬菌体在土壤中的生存以及与病原细菌互作等过程着手,分析总结影响噬菌体阻控土壤生物污染效果和稳定性的主要因素:1)噬菌体的宿主细菌谱和种群数量,2)土壤病原细菌的多态性,3)影响噬菌体与土壤病原细菌互作的环境因素。通过构建高效噬菌体鸡尾酒、改善噬菌体产品形式和优化噬菌体施用技术等措施,建立提升阻控土壤生物污染效果和稳定性的策略,为完善土壤生物污染噬菌体疗法提供科学支撑。