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        文山石漠化地區(qū)豆科植物根瘤菌的6S rDNA序列分析

        2015-04-02 00:49:02張敬宜王金華熊智思斯王凱楊應(yīng)勇
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2014年12期
        關(guān)鍵詞:豆科植物根瘤菌文山

        張敬宜 王金華 熊智 思斯 王凱 楊應(yīng)勇

        摘要:為研究和利用云南省文山石漠化地區(qū)豆科植物根瘤菌的種質(zhì)資源多樣性,對(duì)從文山地區(qū)豆科植物根瘤分離獲得的3株根瘤菌株進(jìn)行6S rDNA全序列分析,并與相關(guān)參比菌株的6S rDNA序列進(jìn)行比較及聚類分析,建立3株文山石漠化地區(qū)豆科植物根瘤菌的發(fā)育樹(shù)狀圖,初步確定3株豆科植物根瘤菌的分類地位,為以后石漠化生態(tài)修復(fù)中種植豆科植物接種適宜的根瘤菌提供種質(zhì)資源。

        關(guān)鍵詞:石漠化;豆科植物;根瘤菌;6S rDNA;系統(tǒng)發(fā)育分析

        中圖分類號(hào): S82;S56文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

        文章編號(hào):002-302(204)2-0044-03

        石漠化是指在喀斯特脆弱的巖溶生態(tài)環(huán)境下,由于人類不合理的社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)而造成的地表植被破壞、水土嚴(yán)重流失、土壤貧瘠、基巖裸露或礫石堆積等生態(tài)系統(tǒng)退化現(xiàn)象,是巖溶地區(qū)土壤退化的極端形式。石漠化地區(qū)干旱,土壤肥力下降,土地生產(chǎn)力衰減,嚴(yán)重影響了農(nóng)、林、牧業(yè)的生產(chǎn),當(dāng)?shù)厝罕姷纳詈蜕a(chǎn)環(huán)境日趨惡化。云南省是我國(guó)石漠化主要分布區(qū)之一,石漠化土地總面積28820萬(wàn)hm2,占云南省國(guó)土總面積的535%。在個(gè)石漠化分布州(市)中,文山州居首位,石漠化總面積838萬(wàn)hm2,主要分布在廣南、丘北和文山等縣,是典型的峰叢洼地石漠化類型[2]。

        根瘤菌是一類存在于土壤中的革蘭氏陰性細(xì)菌,它能夠侵染豆科植物的根部或莖部形成共生體——根瘤(或莖瘤),并在其中將空氣中的游離態(tài)的氮?dú)廪D(zhuǎn)化成植物可以利用的化合態(tài)氮,為宿主植物的生長(zhǎng)提供必需的氮素營(yíng)養(yǎng)。根瘤菌-豆科植物共生固氮體系是已知固氮能力最強(qiáng)的生物固氮體系之一,能有效促進(jìn)植物生長(zhǎng),增加土壤肥力[3]。因此,發(fā)現(xiàn)新的根瘤菌資源,建立高效的共生體系是石漠化地區(qū)植被恢復(fù)的首要工作。

        目前許多學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)很多地區(qū)的豆科植物根瘤菌進(jìn)行了研究[4-8],但對(duì)文山石漠化地區(qū)豆科植物根瘤菌的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。本試驗(yàn)以文山石漠化地區(qū)的豆科植物為材料,調(diào)查這一特殊生境下的根瘤菌資源,研究其遺傳多樣性,篩選優(yōu)良根瘤菌,在石漠化生態(tài)恢復(fù)時(shí),拌種于豆科植物的種子,與豆科植物形成共生固氮體系,為改良石漠化土壤、恢復(fù)石漠化生態(tài)環(huán)境提供優(yōu)質(zhì)種庫(kù)和有效途徑。

        材料與方法

        根瘤的采集

        20年4月在云南省文山州廣南縣、文山市、丘北縣、硯山縣4個(gè)地區(qū)采集豆科植物,挖出根須,挑選新鮮、個(gè)大、飽滿的根瘤裝入裝有干燥變色硅膠的離心管,密封。供試菌株編號(hào)、宿主植物名稱及來(lái)源見(jiàn)表。

        2根瘤菌的分離及篩選

        根瘤帶回實(shí)驗(yàn)室后,用無(wú)菌水洗滌,以 75%乙醇3~5 min、0% HgCl2 ~3 min進(jìn)行表面滅菌,無(wú)菌水沖洗5~6次,然后在無(wú)菌條件下用滅菌的手術(shù)刀將根瘤切開(kāi),并用滅菌的鑷子擠出汁液,最后接種于YMA培養(yǎng)基上,于28 ℃下進(jìn)行培養(yǎng)。采用稀釋平板劃線法,分離純化,挑取單菌落,革蘭氏染色,鏡檢,最后接入試管斜面中保藏備用。

        3DNA的提取

        將活化的菌株接種于TY液體培養(yǎng)基中,在28 ℃條件下、40 r/min振蕩培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期,收集菌體,用細(xì)菌DNA試劑盒[天根生化科技(北京)有限公司]提取DNA。

        46S rDNA CR擴(kuò)增及測(cè)序

        ()引物選擇。正向引物:5′-AGAGTTTGATCCTGGCTCAGAACGAACGCT-3′;反向引物:5′-TACGGCTACCTTGTTACGACTTCACCCC-3′[9],均由上海捷瑞生物工程有限公司合成。(2)反應(yīng)體系。0 μmol/L正向引物和反向引物各 μL,2×Taq CR MasterMix 25 μL,25 ng/L模板DNA 25 μL,加ddH2O至50 μL。(3)反應(yīng)程序。95 ℃預(yù)變性5 min;95 ℃變性 min,56 ℃退火 min,72 ℃延伸3 min,30 個(gè)循環(huán);72 ℃終延伸5 min,-20 ℃保存。(4)CR產(chǎn)物檢測(cè)。CR擴(kuò)增產(chǎn)物用%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)。然后將CR反應(yīng)產(chǎn)物經(jīng)純化后直接測(cè)序,測(cè)序工作在上海英濰捷基公司完成。

        5多序列比較及進(jìn)化樹(shù)的建立

        將測(cè)序結(jié)果通過(guò)美國(guó)國(guó)立生物信息中心和歐洲生物信息所的國(guó)際網(wǎng)站進(jìn)行BLAST分析,進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)序結(jié)果,并進(jìn)行多序列比較,建立系統(tǒng)進(jìn)化樹(shù)。

        2結(jié)果與分析

        26S rDNA CR擴(kuò)增

        圖顯示,通用引物對(duì)根瘤菌的DNA進(jìn)行6S rDNA擴(kuò)增后,均有 500 bp左右的擴(kuò)增條帶。

        [FK(W9][TZYtif][FK)]

        22序列測(cè)定結(jié)果

        將菌株的6S rDNA序列與GenBank數(shù)據(jù)庫(kù)中的序列進(jìn)行同源性比對(duì),運(yùn)用軟件MEGA 40按bootstrap的UGMA法構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)(表、表2、圖2)。

        從系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)狀圖上看,這3株菌屬于不同的歸屬,說(shuō)明文山石漠化地區(qū)豆科植物根瘤菌多樣性很豐富。有7株菌屬于Rhizobium sp系統(tǒng)發(fā)育分支,但它們分為兩大分支,SWFU-W0、SWFU-W02、SWFU-W03、SWFU-W0為一個(gè)分支,SWFU-W58、SWFU-W63、SWFU-W64為另一分支的根瘤菌屬(Rhizobium sp),其中來(lái)自不同采樣地相同寄主(三葉草)的代表菌株SWFU-W0、SWFU-W02、SWFU-W03,說(shuō)明在不同的生境中Rhizobium sp可以與寄主形成共生關(guān)系。SWFU-W3、SWFU-W4、SWFU-W50屬于熱帶根瘤菌屬(Rhizobium tropici),它們的寄主植物均為木本豆科植物木藍(lán),但是木藍(lán)分別采集于文山市、廣南縣和硯山縣3個(gè)地區(qū)。SWFU-W90、SWFU-W98、SWFU-W99與根癌土壤桿菌(Agrobacterium tumefaciens)的同源性最接近,它們與其他菌株的相似性也較?。ū?),故它們屬于根癌土壤桿菌。[FL)]

        [FK(W5][HT6H][Z]表文山石漠化地區(qū)自然生長(zhǎng)的豆科植物根瘤菌[HTSS][STBZ]

        [H5][BG(!][BHDFG2,WK6,WK5,WK8,WK5,WK8。2W]序號(hào)菌株號(hào)寄主植物中文名植物學(xué)名采集地點(diǎn)生境

        3討論

        目前石漠化已經(jīng)成為導(dǎo)致西南巖溶地區(qū)生態(tài)惡化的主要因素,而人為破壞造成的地表植被覆蓋率下降是石漠化的根本原因,因此恢復(fù)植被是石漠化治理的首要任務(wù)。有機(jī)質(zhì)、N、、K、Ca、Mg等養(yǎng)分有效含量低是石漠化植被恢復(fù)的最主要障礙[0-]。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)構(gòu)建根瘤菌-宿主植物共生體系,不僅能夠顯著促進(jìn)植物生長(zhǎng),同時(shí)還[FL)]

        [FK(W2][TZY2tif][FK)]

        [FL(2K2]能夠增加土壤肥力,改良土壤結(jié)構(gòu)。如李建華等在山西礦區(qū)復(fù)墾土壤上種植接種根瘤菌的白三葉草(Trifolium[KG3]repens),結(jié)果表明接種根瘤菌能顯著提高植物生物量和土壤養(yǎng)分利用率[2];Requena等用根瘤菌接種絨毛花(Anthyllis cytisoides)幼苗,對(duì)西班牙南部一個(gè)半干旱沙漠地區(qū)的退化植被進(jìn)行恢復(fù),發(fā)現(xiàn)接種根瘤菌在提高植株在半干旱沙漠地區(qū)的定殖和存活能力、增加土壤的質(zhì)量和肥力、促進(jìn)自然群落演替過(guò)程中氮的轉(zhuǎn)移等方面效果最好[3]。根瘤菌與豆科植物的共生關(guān)系會(huì)因生態(tài)環(huán)境的差異而具多樣性[4-5],因此,在應(yīng)用豆科植物-根瘤菌共生體系來(lái)修復(fù)石漠化退化地土壤和生態(tài)時(shí),應(yīng)根據(jù)石漠生態(tài)環(huán)境及宿主植物兩方面因素選擇合適的根瘤菌,為豆科植物選擇最佳匹配的根瘤菌。本研究對(duì)文山石漠化地區(qū)豆科植物根瘤菌的分離鑒定,對(duì)建立石漠地區(qū)的根瘤菌菌庫(kù)和改善石漠化環(huán)境具有重要的意義。

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