植物根系微生物组(Root-associated microbiome)是指作用于植物根系周围的微生物及其基因组的集合,它在促进植物营养元素吸收、提高植物抗逆能力等方面具有重要作用。近年来,随着生物技术的不断发展,针对不同植物根系微生物组的装配特征、影响因素和微生态效应等的研究已逐渐成为国际社会的研究热点。我国是全球最主要的水稻生产和消费大国,探究水稻生长过程中根系微生物组的集群模式,阐明不同环境因素对根系微生物群落的影响机制,是保障粮食安全、维持稻田生态系统健康稳定的重要基础。有机氯农药是典型的持久性有机化合物,因难降解而易在土壤中积累,从而对地下生态环境具有潜在风险。课题组在前期研究中发现,在长期植稻的淹水土壤中,以还原脱氯为主的有机氯农药自净削减过程与土壤中碳、氮、铁、硫等生源要素的氧化还原反应密切耦合。本论文以具有广谱杀虫毒性的典型有机氯农药林丹(γ-Hexachlorocyclohexane,γ-HCH)为代表,开展了水稻根系微生物组装配对林丹污染胁迫的响应研究,揭示了影响水稻根系微生物群落结构和功能的主要因素,探讨了污染胁迫下水稻根系特性对微生物组装配的调控作用、干湿交替驱动下水稻根系微生物对污染胁迫的动态响应,并比较了水稻与典型旱作植物(玉米、大豆)根系微生物组响应污染胁迫的差异性等。取得的主要研究结果如下:1、采用细菌16S rRNA基因测序技术研究了两种不同土壤类型中,水稻根系细菌群落的组成和时空演替规律。试验结果表明,土壤类型、水稻生长时间和根系分区等均对水稻根系微生物组的装配存在显著影响。高浓度林丹添加对整体根系微生物集群模式的贡献性最小,但对调控特定环境中微生物群落的反馈响应具有重要作用,表现为林丹污染显著提升了水稻营养生长初期根内微生物群落的多样性,并改变了参与水稻根际中与土壤氧化还原过程耦合的林丹脱氯过程中功能微生物的丰度。2、采用真菌ITS和细菌16S rRNA基因测序技术研究了林丹污染胁迫下不同水稻品种及其根系泌氧特性对根系微生物组的影响。试验结果表明,污染胁迫对水稻根系真菌群落的影响较小,但明显增加了根际土壤细菌群落中Bacillaceae和Comamonadaceae的相对丰度。水稻生长显著抑制了淹水厌氧环境中高浓度林丹的削减。其中,杂交稻品种的抑制作用较传统常规栽培品种更低,且在污染胁迫下,杂交稻的根际土壤具有更加稳定的微生物群落结构。3、采用细菌16S rRNA基因测序技术研究了污染胁迫下水稻根表铁膜对根系微生物组装配的调控作用。试验结果表明,受水稻根系氧化特性的影响,根周氧化条件的改变强化了林丹还原脱氯与铁元素氧化还原过程的耦合,从而造成根系微生物的群落组成和多样性等发生相应的响应变化。林丹胁迫主要降低了根面微生物群落的多样性,并改变了该区域内微生物的共现网络结构;铁膜富集效应显著降低了污染胁迫对根内微生物群落多样性的提升作用,并影响了Magnetospirillum等微生物由根内向根表的趋向性运移过程及微生物互作模式。4、采用古菌和细菌16S rRNA基因测序技术研究了干湿交替驱动下水稻根系微生物组对林丹污染的响应机制。试验结果表明,污染胁迫下的干湿交替过程造成了土壤氧化还原条件和理化性质等的变化,从而显著改变了水稻根系不同分区中Enterobacteriaceae、Desulfarculaceae、Geobacteraceae、Moraxellaceae等微生物的相对丰度,并诱导了Streptomyces等林丹好氧降解菌、以及Nocardioides、Geobacter等可介导生源要素还原转化过程的功能微生物产生与在持续淹水过程中的差异化响应,并因此显著抑制了干湿交替处理中林丹的降解速率。5、采用细菌16S rRNA基因测序和q PCR等技术对比研究了玉米、大豆和水稻根系微生物组对林丹污染胁迫的响应差异。试验结果表明,林丹污染对旱作玉米和大豆根系微生物的种群数量无明显影响,但显著改变了Sphingomonas、Streptomyces等好氧微生物在污染胁迫影响下的丰度和功能响应。受宿主植物根系特性及其对根际土壤环境调控作用的影响,玉米和大豆的生长均显著促进了根际土壤中林丹的降解,但削减速率显著不同;而水稻根系微生物群落虽然在污染胁迫下表现出的稳定性更强,但受根系泌氧特性和根际微生物装配模式等因素的影响,水稻生长显著抑制了根际土壤中林丹的削减过程。综合以上研究结果可知,土壤类型在调控水稻根系微生物组的装配过程中起到了主导作用,水稻不同品种及其根系特性差异也会随着植物生育时间对根系微生物的群落结构产生更加明显的选择性调控影响;相比之下,林丹污染胁迫对水稻根系微生物组的影响较小,可能与水稻种植过程中淹水环境对林丹毒性的缓解作用有关;相应地,水稻根系微生物组装配对不同种植条件下污染胁迫的响应变化也反馈到土壤地下生态环境中,进一步通过对相关降解菌及参与土壤氧化还原反应的功能微生物的调控,造成了林丹在水稻根际不同因素影响下的降解差异。与水稻相比,玉米和大豆根系微生物组装配的变化对林丹污染胁迫的响应更为敏感,这可能与两种旱作植物种植所依赖的好氧环境中林丹降解速率更慢有关。因此,本论文提出,污染胁迫下植物-微生物-土壤之间复杂的交互作用可以诱导植物根系微生物组装配和根际林丹降解削减的差异变化;与旱作玉米和大豆相比,水稻种植更有利于残留有机氯农药污染农田的自净。