|
作者：崔格格，南京農(nóng)業(yè)大學碩士在讀，主要研究根際資源與微生物互作
化感作用與植物和/或微生物互作密切相關(guān)，自毒是化感作用的一種獨特形式，植物通過這種形式向環(huán)境中釋放的化感物質(zhì)對其自身生長和發(fā)育不利。甘草是中國最重要的傳統(tǒng)中草藥之一，近年來隨著藥材需求增加，因連作種植造成的植物化感現(xiàn)象，對植物生長、產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生負面影響，嚴重制約中藥農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展?；凶饔门c根際生物過程密切相關(guān)，根際微生物群落對植物發(fā)育至關(guān)重要，但目前化感物質(zhì)對甘草根菌群落的影響尚未得到更深入的研究。宏基因組學領(lǐng)域的進步使得在復雜環(huán)境中對個體社區(qū)成員的基因組進行分類成為可能。因此，作者采用組學測序方法和盆栽接種實驗相結(jié)合的方法，(1)研究外源化感物質(zhì)(甘草酸)的添加對甘草植物、土壤特性、根際細菌多樣性和功能的影響;(2)闡明了根際細菌接種劑對甘草幼苗性能的影響。 1．添加化感物質(zhì)對甘草和土壤特性的影響 作者設(shè)置3個處理，A：添加外源化感物質(zhì)處理，W：添加水處理，N：對照組。結(jié)果表明外源化感物質(zhì)(甘草酸)對植物的生長性能有顯著影響(圖1a)。水處理鮮葉葉綠素含量、鮮莖重和鮮根重均顯著高于外源化感物質(zhì)處理。植物發(fā)育的初期到中期和末期，所有的植物表型指標都是逐漸增加的(圖1b)。化感物質(zhì)處理在中后期抑制了部分甘草酸合成基因的表達水平，提高了luphil合成基因(LUS)的表達水平。在最后階段添加外源甘草酸促進了CYP72A154和CHS的表達水平(圖1c)。從甘草根系主要次生代謝物合成基因的表達來看，外源甘草酸在一定程度上抑制了甘草的發(fā)育。根際土壤pH值隨甘草生長而顯著升高，化感物質(zhì)處理下pH值更高，水處理的SWC值顯著高于化感化學處理，化感物質(zhì)處理的SOM和TC值顯著高于水處理。此外，盡管不同階段和處理的土壤性狀(全氮、全磷、全鉀、有效氮)沒有顯著差異，但大塊土壤的全氮值高于根際土壤，化感物質(zhì)處理根際土壤速效鉀顯著高于水處理。兩種土壤酶的活性在兩個土壤區(qū)室之間無顯著差異，其活性普遍受到外源甘草酸添加的抑制。
圖1. 外源添加甘草酸對甘草幼苗表型及根系主要次生代謝物合成基因表達的影響 三種處理的Shannon指數(shù)和ACE指數(shù)具有顯著性差異(P<0.05)。水處理多樣性較高，根菌群落多樣性高于土壤整體多樣性，且三種處理對土壤整體群落組成的影響大于對根際土壤群落組成的影響(圖2a)。在化感物質(zhì)處理的中后期，大部分根際細菌類群都是共同富集的，根據(jù)來自不同類群的共富集類群的交集選擇共有類群(圖2b)。發(fā)現(xiàn)根際細菌多為鞘脂單胞菌科Sphingomonadaceae(圖2c)，且在網(wǎng)絡(luò)中為關(guān)鍵節(jié)點，鞘脂單胞菌科是一個關(guān)鍵分類單元。總體而言，外源甘草酸的添加顯著影響了根際細菌的α和β多樣性，并招募了部分根際細菌。
圖2. 外源添加甘草酸對根細菌群落的影響 3．接種劑的分離與構(gòu)建 作者利用宏基因組測序技術(shù)進一步探索根菌群落的功能變異。結(jié)果表明與前期相比，化感物質(zhì)處理在后期和中期分別顯著富集了146和145條通路相關(guān)基因 (圖3a)。參與環(huán)狀化合物降解的基因豐度略高，組合類群中新鞘脂菌屬Novosphingobium的豐度最高(圖3b)。為了探索上述富集和組裝的根際細菌的功能，作者純化分離得到的4株菌株，并命名為E、Na、N和H。發(fā)現(xiàn)在培養(yǎng)中，單個N菌株的降解率最高(87.94%)，其次是E、Na和H。然而，菌株之間的降解代謝產(chǎn)物相似，包括人參皂苷Rh、人參皂苷Rh2、白樺酸、齊果酸和熊果酸，以及一些甾體化合物。 此外，對4株菌株進行了全基因組測序后發(fā)現(xiàn)殼基因組中存在一組輔助基因和特異性基因參與環(huán)狀化合物降解。值得注意的是，與其他菌株相比，N和E菌株與更多外源物質(zhì)生物降解和代謝基因相關(guān)(圖3c, d)。此外，它們的平均核苷酸同源基因組信息具有更高的相似性(N: 84.4%;E: 84.2%)。根據(jù)平板培養(yǎng)實驗，兩株菌株之間不存在營養(yǎng)競爭和拮抗。鑒于根際細菌N (Novosphingobium resinovorum)和E(Ensifer sesbaniae)在根際中富集且它們具有相對較高的化感化學降解率，作者組合了兩株根際細菌(N + E)作為合成接種劑(S)，合成菌劑在混合培養(yǎng)中的化感降解率高達92.95%。
圖3. 根細菌群落的宏基因組分析及4個分離株的基因組信息 4．細菌接種劑對甘草性能的影響 隨后作者進行了盆栽試驗，驗證上述單一和合成細菌接種劑對甘草幼苗性能的影響。從植株表型來看，化感物質(zhì)處理抑制了甘草幼苗的發(fā)育(圖4)。所有接種劑的幼苗生長指數(shù)均高于無接種劑的幼苗生長指數(shù)，且化感物質(zhì)處理下N單菌株的幼苗生長指數(shù)最高，不同處理間鮮重具有顯著差異(P<0.05)。其中，單菌株N和E分別促進了化感物質(zhì)處理和水處理中甘草酸合成基因HMGR、β-AS、CYP88D6的表達譜，但單菌株N對水處理中l(wèi)uphil合成基因CYP72A154、LUS、CHS的促進作用較強。此外，接種后根際土壤化感物質(zhì)含量顯著低于無細菌接種劑處理(P<0.05)?；形镔|(zhì)含量最低的是單株菌N(34.94%)和E(20.19%)。除初始樣品外，化感物質(zhì)處理中添加N菌接種劑和水處理中添加E菌接種劑的N菌株數(shù)最高。綜上所述，根際細菌接種劑對甘草的潛在保護作用很可能是其在根際土壤中的定殖和化感降解能力。
本研究證明外源甘草酸會抑制甘草的發(fā)育，并豐富了與甘草酸降解相關(guān)的特定根際菌和相應(yīng)的功能。此外，新鞘脂菌Novosphingobium在富集類群中所占比例較高。作者進一步表征了單一和合成接種菌劑降解甘草酸的不同能力，發(fā)現(xiàn)它們可以不同程度的減輕甘草化感作用。其中，單菌株N (Novosphingobium resinovorum)接種劑對甘草幼苗化感作用的緩解效果最好。總之，外源甘草酸模擬了甘草的化感自毒作用，而單一細菌N在保護甘草生長免受化感作用方面的作用比合成接種劑更大。本研究結(jié)果增加了對甘草化感作用過程中根際菌群落動態(tài)的研究，對利用根際菌生物肥料解決藥用植物連作障礙具有潛在的指導意義。 論文信息 原名：Metagenomics insights into responses of rhizobacteria and their alleviation role in licorice allelopathy 譯名：根際細菌的宏基因組學研究及其在甘草化感作用中的緩解作用 期刊：Microbiome DOI：10.1186/s40168-023-01511-3 發(fā)表時間：2023.05 通訊作者：焦碩、韋革宏 通訊作者單位：西北農(nóng)林科技大學 |
|
|
