高浓度CO2与内生菌互作对超积累东南景天生长、镉吸收积累及微生物群落结构的影响

摘要

植物提取是目前土壤重金属修复中研究最多，最具有发展前景的方法，但由于存在修复周期长、效率低等原因难以大面积推广应用，因此对植物提取修复强化措施的研究是当前植物修复研究的热点。植物内生菌能够在植物体内定殖，直接影响植物的生理特性，促进重金属富集植物的生长和对重金属的吸收积累。而另一方面，高浓度CO2影响植物光合作用、根系形态、土壤性质和微生物群落组成，从而影响植物的生长和重金属的吸收积累。目前利用微生物强化和CO2加富技术来提高植物提取效率的研究已有报道，但主要针对C3和C4植物，而对景天酸代谢植物的研究很少，且对内生菌与高浓度CO2的互作对超积累植物生长和重金属吸收的影响研究未见报道。本文通过水培试验、根箱土培试验，采用原位分析技术、分子生物学技术以及微生物组学技术等分析方法，探索高浓度CO2与内生菌互作对超积累东南景天生长、镉吸收及微生物群落结构的影响。取得的主要研究结果如下:
　　1.采用水培试验研究来源于超积累东南景天根系的内生菌Buttiauxella sp.SaSR13对东南景天生长和镉积累的影响。激光扫描共聚焦显微镜观察表明，SaSR13主要定殖在根的伸长区和成熟区。在25μM镉处理下接种SaSR13可以显著促进植物的生长（地上部生物量提高了39％，根系生物量提高了42％），提高植物叶绿素含量(38％)，地上部和根系镉含量（分别提高了32％和22％）。同时接种SaSR13能够提高植物根系生长素的含量，降低植物体内超氧阴离子的含量，从而促进植物根系的发育（根系长度、根表面积和根尖数量都有所增加）。除此之外，接种SaSR13可以提高植物根系分泌物，尤其是苹果酸和草酸的分泌，促进了东南景天对镉的吸收。研究表明，接种内生菌SaSR13是一种有前景的生物强化方法，可以提高东南景天对镉的提取效率。另外，还比较了内生菌Buttiauxella sp.SaSR13和内生菌Sphingomonas sp.SaMR12的特性。综合二者的定殖能力，对镉的耐受程度，生长素的分泌量以及对东南景天镉吸收的促进作用，选择内生菌SaMR12用于高浓度CO2与内生菌互作试验。
　　2.采用水培试验研究高浓度CO2与内生菌SaMR12的互作对超积累东南景天光合特性和镉积累的影响。研究表明，与低浓度CO2相比，高浓度CO2与内生菌的互作能够显著促进东南景天的生长，地上部生物量提高了121.6％，根系生物量提高了242.9％。高浓度CO2与内生菌的互作能够显著增加叶绿素含量(53.2％)、净光合速率(111.6％)、最大净光合速率(59.8％)、表观量子产量(65.1％)和光饱和点(28.8％)，但是降低了气孔导度、蒸腾速率、暗呼吸速率和光补偿点。光合速率的提高与Ca2+-ATPase、Mg2+-ATPase活性有关，也与两个光系统基因(SaPsbS和SaLhcb2)的过量表达有关。与低浓度CO2相比，高浓度CO2与内生菌的互作提高了光系统Ⅱ最大量子产量(12.3％)和光系统Ⅱ有效量子产量(13.0％)，从而提高了光系统Ⅱ的活性。除此之外，高浓度CO2与内生菌的互作还提高了根系镉转运基因SaHMA2和SaCAX2的表达，东南景天地上部镉的吸收增加了57.4％，根系镉的吸收增加了61.6％。我们的研究表明，高浓度CO2与内生菌的互作能够促进东南景天的光合效率，从而促进植物的生长和镉的积累，说明高浓度CO2与内生菌的互作可以作为一种有效的措施提高东南景天对镉的提取。
　　3.水培试验表明，接种内生菌可以促进根毛的生长发育，而高浓度CO2显著促进侧根的形成。此外，高浓度CO2能够显著提高植物信号分子NO含量，高浓度CO2与内生菌的互作能够提高乙烯含量。水培试验和根箱土培试验表明，高浓度CO2与内生菌的互作能够促进东南景天根系的生长和镉的吸收积累。提高CO2浓度能够显著降低根际土壤的pH值，但是对非根际土壤的pH值没有显著影响。高浓度CO2与内生菌的互作能够影响土壤酶活性和根际土壤微生物量碳。16S rRNA和ITS测序结果表明，高浓度CO2与内生菌的互作能够提高不同根系空间细菌群落α-多样性，但是叶际细菌丰富性指数和多样性指数在二者的互作下反而下降。研究表明根系空间是根系细菌群落变异的最大来源，其次是接种内生菌，而CO2浓度是土壤真菌群落变异的最大来源，叶际细菌群落的最大变异来源是接种内生菌。PICRUSt分析表明非根际和根际土壤中与氨基酸代谢相关的功能基因丰度较高，根内细菌丰度较高的基因则和遗传信息处理有关。另外，高浓度CO2与内生菌互作条件下，叶际细菌中遗传信息处理和其他功能基因的丰度较高。研究表明，高浓度CO2与内生菌的互作影响超积累东南景天根系发育和土-根-叶的微生物群落组成，从而影响超积累东南景天的生长及对镉的吸收和积累。

目录

论文说明

声明

主要缩略词表

摘要

第一章文献综述

1．1土壤重金属污染植物提取修复

1．1．1植物提取修复

1．1．2植物提取技术存在的问题

1．1．3提高植物提取效率的途径

1．2内生首强化植物提取土壤重金属的研究进展

1．2．1植物内生首群落组成

1．2．2内生菌对植物生长的影响

1．2．3内生菌对植物重金属吸收积累的影响

1．3高浓度CO2强化植物提取土壤重金属的研究进展

1．3．1高浓度CO2对植物生长的影响

1．3．2高浓度CO2对植物重金属耐性和吸收积累的影响

1．3．3高浓度CO2对根际微生物群落结构的影响

1．4研究目的、内容与技术路线

1．4．1研究目的及意义

1．4．2研究内容

1．4．3技术路线

第二章内生菌Buttiauxella sp．SaSR13对超积累东南景天生长和镉吸收的影响

2．1引言

2．2材料和方法

2．2．1 Buttiauxella sp．SaSR13的分离、鉴定和Gfp标记

2．2．2植物培养和处理

2．2．3内生菌定殖检测(LSCM)

2．2．4根系形态参数的测定

2．2．5植物生物量和镉浓度的测定

2．2．6植物叶绿素含量的测定

2．2．8根系分泌物的测定

2．2．9数据统计分析

2．3结果和分析

2．3．2接种SaSR13对植物生物量和镉浓度的影响

2．3．3接种SaSR13对根系形态的影响

2．3．4接种SaSR13对植物叶绿素含量的影响

2．3．5接种SaSR13对植物吲哚乙酸(IAA)含量的影响

2．3．7接种SaSR13对根系分泌物的影响

2．3．8内生菌Buttiauxella sp．SaSR13和内生菌Sphingomonas sp．SaMR12的比较

2．4讨论

2．5结论

第三章高浓度CO2与内生菌互作对超积累东南景天光合特性和镉积累的影响

3．1引言

3．2材料和方法

3．2．1植物和内生菌的培养

3．2．2试验设计

3．2．3内生菌定殖检测(LSCM)

3．2．4植物生物量和镝浓度的测定

3．2．5光合Rubisco酶活性的测定

3．2．6叶绿素含量和能量代谢酶活性的测定

3．2．7气体交换的测定

3．2．8叶绿素荧光参数的测定

3．2．9基因表达水平分析

3．2．10数据统计分析

3．3结果和分析

3．3．1水培试验内生茵在高低CO2浓度下根内的定殖模式

3．3．2植物生物量和镉含量

3．3．3气体交换参数

3．3．4 Rubisco酶活性和叶绿素含量

3．3．5叶片中Ca2+-ATP酶和Mg2+-ATP酶活性

3．3．6叶绿素荧光

3．3．7 SaPsbS，SaLhcb2，SaHMA2和SaCAX2的基因表达水平

3．4讨论

3．4．1高浓度CO2与内生菌互作提高了东南景天光合碳吸收速率

3．4．2高浓度CO2与内生菌互作提高了东南景天的电子传递和光系统Ⅱ活性

3．4．3高浓度CO2与内生茵互作提高了东南景天的生物量和镉积累量

3．5结论

第四章高浓度CO2与内生茵互作对超积累东南景天根系形态以及微生物群落结构的影响

4．1引言

4．2材料和方法

4．2．1植物材料，土壤性质和内生菌的培养

4．2．2水培试验

4．2．3土培试验

4．2．4侧根和根毛的观察

4．2．5 NO的原位测定

4．2．6乙烯含量的测定

4．2．7超氧阴离子的原位测定

4．2．8镉荧光探针的原位测定

4．2．9土襄采集和植物收获

4．2．10土壤性质的测定

4．2．11土壤、根、叶际DNA的提取

4．2．12 16S rRNA和ITS测序数据分析和处理

4．2．13 PICRUSt功能预测

4．3结果和分析

4．3．1高浓度CO2与内生菌互作对植物侧根和根毛的影响

4．3．2高浓度CO2与内生菌互作对植物根尖内源NO的影响

4．3．3高浓度CO2与内生菌互作对植物根系乙烯含量的影响

4．3．5高浓度CO2与内生茵互作对植物根系镉吸收的影响

4．3．6土培试验内生菌在高低CO2浓度下根内的定殖模式

4．3．7高浓度CO2与内生菌互作对植物生长和镉含量的影响

4．3．8高浓度CO2与内生菌互作对土壤pH的影响

4．3．9高浓度CO2与内生菌互作对土壤酶和微生物生物量的影响

4．3．10高浓度CO2与内生菌互作对土壤微生物群落组成的影响

4．3．11高浓度CO2和内生菌互作对土壤、根内、叶际细菌群落基因功能的影响

4．4讨论

4．5结论

5．1主要研究结论

5．2主要创新点

5．3研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间主要成果