不同品种大豆与土壤中根瘤菌的多样性研究

摘要

大豆是重要农作物之一，大豆与根瘤菌共生固氮体系是生物固氮作用的重要代表，探究根瘤菌与大豆品种间的相互适应关系，对于大豆生产和育种材料的选择等都具有重要的意义。该试验通过根瘤菌分离技术、分子生态学技术和宏基因组测序技术，研究26个不同品种大豆与根瘤菌间选择共生的差异，分析大豆根际根瘤菌的多样性与功能，探究大豆对土壤根瘤菌群落的富集过程，阐明其结构和功能。
　　通过分离的方法从种植在杨凌农田土壤中的26个不同品种大豆根瘤中共获得310株根瘤菌，16S rRNA基因序列分析表明这些根瘤菌分别属于中华根瘤菌属(Sinorhizobium)和根瘤菌属（Rhizobium），分别占总数的98.4％和1.6％，未分离出慢生大豆根瘤菌属(Bradyrhizobium)。通过对持家基因atpD和rpoB序列系统发育进行分析，进一步支持了基于16S rRNA基因的分类结果。可见，在同一土壤条件下，不同品种的大豆对根瘤菌的选择没有明显的差异。
　　通过宏基因组高通量测序分析了5种大豆的根际和非根际细菌群落，结果显示，不同品种的大豆，其根际细菌群落存在差异。从根区、根际到根瘤，大豆对细菌群落的构成有明显的逐层过滤和富集作用，包括根瘤菌从土壤到达根瘤内部会有一个逐层过滤的富集过程，其中在大豆非根际土壤中的主要优势根瘤菌是Br adyrhizobium和Mesorhizobium，在根际土壤中主要的优势根瘤菌是Sinorhizobium/Ensifer和Rhizobium。通过对土壤中根瘤菌的共生结瘤相关基因的构成和丰度分析，发现nodABC、nifB和nifH这5个基因均有不同程度的富集，并且从根瘤分离得到的根瘤菌中也扩增鉴定到序列相似性很高的同类基因，说明这部分功能基因为大豆和根瘤菌互相选择作为共生伙伴提供了重要线索。
　　本论文揭示了农田土壤中大豆根瘤菌的遗传多样性以及部分功能基因系统发育关系，通过研究大豆根瘤菌从根区、根际再到根瘤的聚集过程，为进一步了解大豆——根瘤菌共生体系的建立提供了重要的理论指导。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

引言

1．1 大豆品种资源

1．1．1 大豆品种资源的保存现状

1．1．2 我国现阶段大豆生态区的划分

1．2 大豆—根瘤菌共生体系

1．2．1 大豆与根瘤菌间的相互作用关系

1．2．2 大豆根瘤菌的多样性

1．2．3 大豆根瘤菌在农业上的应用

1．3 土壤微生物群落研究

1．3．1 中性理论和生态位理论

1．3．2 植物对土壤属性的影响

1．3．3 根际微生物在农业系统和自然系统中的驱动过程

1．4 土壤微生物多样性研究方法

1．4．1 传统及现代分子生物学技术

1．4．2 高通量测序分析技术

1．5 本实验的研究目的意义和技术路线

1．5．1 实验研究目的

1．5．2 实验技术路线

第二章 不同品种大豆与其种植土壤中根瘤菌匹配性研究

2．1 试验材料

2．1．1 样品来源

2．1．2 主要试剂、仪器

2．2 试验方法

2．2．1 大豆根瘤的采集

2．2．3 提取菌株总DNA以及16S rRNA基因扩增

2．3 结果与分析

2．3．1 26个不同品种大豆各生物性状分析

2．3．2 16S rRNA序列及系统发育分析结果

2．4 讨论

第三章 大豆根际、根区土壤根瘤菌多样性及其功能研究

3．1 材料与方法

3．1．1 样品来源

3．1．2 Illumina HiSeq高通量测序

3．2 试验方法

3．2．1 大豆植株根际土壤的收集

3．2．4 根瘤菌共生结瘤基因的扩增

3．2．5 根瘤菌持家基因rpoB和atpD的扩增

3．3 结果与分析

3．3．1 测序数据信息

3．3．2 不同土壤样品的微生物多样性

3．3．3 大豆根瘤菌共生固氮基因系统发育分析

3．4 讨论

3．4．1 不同大豆品种根际对根瘤菌类群富集的影响

3．4．2 不同大豆品种根际对共生基因富集及对根瘤菌选择的影响

第四章 讨论和结论

参考文献

附录

致谢

作者简介