抗鋁SynCom顯著提高水稻的鋁抗性并緩解磷缺乏
研究簡介：酸性土壤占世界潛在可耕地的40-50%。全球土地面積為3950萬公頃，pH<5.5為酸性土壤。在這些土壤中生長的作物通常容易遭受鋁(Al)毒性脅迫，這被認(rèn)為是繼干旱之后作物的第二大非生物脅迫。酸性土壤中溶解的根部毒性Al3+會對植物根部造成嚴(yán)重?fù)p害，抑制根部伸長40%，并導(dǎo)致根系發(fā)育不良根際微生物組為作物的脅迫耐受性和生長提供重要支持。植物促生根際細(xì)菌(PGPR)提供一系列重要的生物學(xué)功能，例如改善植物養(yǎng)分獲取、病原體耐受性和脅迫耐受性。許多研究調(diào)查了PGPR通過釋放有機酸和鐵載體來改變金屬生物利用度，從而賦予植物對重金屬（例如鎘、銅和錳）的耐受性。合成群落(SynComs)是具有植物有益性狀的單個微生物培養(yǎng)物的集合體。它們已被證明可以通過自下而上控制限菌系統(tǒng)中的養(yǎng)分獲取或病原體抑制來使植物受益。一些耐鋁PGPR的發(fā)現(xiàn)，包括永吉類芽孢桿菌DCY84和粘液紅酵母CAM4，激發(fā)了研究人員探索通過微生物策略在酸和鋁脅迫下提高水稻產(chǎn)量的潛在方法。本論文研究人員假設(shè)組裝和應(yīng)用合適的抗鋁SynCom可以通過優(yōu)化根系形態(tài)和改善土壤養(yǎng)分來提高水稻的鋁抗性可用性。研究人員的目標(biāo)是(1)鑒定抗鋁細(xì)菌并開發(fā)高效的抗鋁SynCom，(2)評估SynCom在促進水稻生長方面的有效性，以及(3)闡明SynCom賦予水稻鋁抗性的潛在機制和磷的吸收。
丹麥Biosense微生物生長動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用
將D95和D65的單菌落劃線到LB瓊脂平板上，并在30°C下培養(yǎng)24-48小時。將菌株的純培養(yǎng)物在5ml LB培養(yǎng)基中培養(yǎng)過夜。將25微升每種細(xì)菌懸浮液接種到多孔板中，多孔板已含有175μl具有不同Al3+添加條件（0、0.1、0.3、0.5、1.0 mM，最終pH 4.0）的LB培養(yǎng)基。每個處理使用六次重復(fù)平行。使用丹麥Biosense微生物生長動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在30°C下每小時測量OD600，測試周期持續(xù)48小時。
實驗結(jié)果：研究表明應(yīng)用抗鋁SynCom顯著提高了水稻的鋁抗性并緩解了磷缺乏。根際中持續(xù)保持高豐度的接種的SynCom類群通過質(zhì)子化提高了pH值并降低了Al 3+，促進了ALP，并降低了表土中P獲取的根部生長角度。水稻植株性能、根部微生物組組成和土壤條件之間的相互依賴性突出表明需要考慮農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中植物-土壤-微生物群的內(nèi)部完整性。利用微生物策略（例如針對可持續(xù)農(nóng)業(yè)的定制SynCom）是改善植物生長、產(chǎn)量和抗性的一種有前途的方法。
圖1、南京46號稻不同生育階段田間試驗（a、b）和盆栽試驗（c）的表型和產(chǎn)量。a中的比例尺為2厘米。在田間試驗（b）中，測量了三株健康水稻的株高和土壤植物分析發(fā)展（SPAD）值，并在每個小區(qū)中稱重了六株水稻的產(chǎn)量。箱線圖中的每個方框匯總了每次處理的n=4個生物重復(fù)田間圖中的數(shù)據(jù)點。d，通過透射電鏡觀察水稻根部鋁的分布。
圖2、耐鋁菌株的鑒定。不同Al3+濃度下紅綠假單胞菌和銅綠假單胞菌的生長曲線。圖中黑色和紅色字母分別表示實驗設(shè)置Al3+濃度和Geochem-EZ預(yù)測的游離Al濃度。
圖3、a)通過X射線CT技術(shù)無損可視化土壤下南京46水稻根系結(jié)構(gòu)的原位3D結(jié)構(gòu)。b、c、CT圖像顯示的根直徑、總長度和根角度的差異。d，通過rhizobox方法和根圖繪制南京46的原位二維水稻根系結(jié)構(gòu)。e，南京46在根箱中根角的時間動態(tài)。f，南京46號水稻的根角差異。
圖4、a）不同土壤剖面深度的pH和Al3+濃度。b，通過qPCR確定SynCom的定植。紅色和綠色星號表示相同土壤深度下Al+RP的豐度顯著高于Al+。c–e，通過13 C-DNA-SIP測定SynCom對細(xì)菌群落的影響。在c中，顯示了微生物群落結(jié)構(gòu)的差異。d中顯示了變形菌的群落組成。在e中，顯示了放線菌的群落組成。f，不同pH值下銅綠假單胞菌與質(zhì)子的相互作用。左圖：接種銅綠假單胞菌提高了原始pH值。右圖：銅綠假單胞菌在不同pH值下的衰減全反射傅里葉變換紅外光譜。
圖5、a，不同土壤剖面深度的磷的不同形式和分?jǐn)?shù)。Po代表有機磷。數(shù)據(jù)表示為三個生物重復(fù)的平均值±sem。采用雙側(cè)不配對t檢驗方法進行統(tǒng)計顯著性檢驗。b、Al+和Al+RP作用下表層土壤微生物群落殘留磷的釋放能力。c，根際原位磷酸酶活性。d，伸長階段根際表層土壤中排名前15位的含有磷的細(xì)菌屬。e，R.erythropolis的透射電子顯微鏡圖像和R.erythropolis的PolyP帶的拉曼光譜。
總結(jié)：鋁(Al)毒性會阻礙酸性土壤中的作物生長，被認(rèn)為是繼干旱之后全球作物的第二大非生物脅迫。盡管在了解植物的鋁抗性方面取得了顯著進展，但仍不清楚土壤微生物群是否以及如何賦予作物鋁抗性。研究人員發(fā)現(xiàn)由從水稻根際分離的高度抗鋁菌株組成的合成群落在酸性田中使水稻產(chǎn)量提高了26.36%。合成群落收獲根際沉積的碳以成功增殖，并通過細(xì)胞外質(zhì)子化減輕土壤酸化和鋁毒性。土壤-植物-微生物的相互作用對于植物健康至關(guān)重要。研究人員揭示了根部微生物組如何影響具有鋁毒性的酸性土壤中的植物健康。研究發(fā)現(xiàn)SynCom由高度耐鋁的細(xì)菌分離株組成，通過質(zhì)子化延緩表層土壤的酸化，從而降低了Al3+含量。這個過程降低了植物根組織和微生物暴露于鋁毒性的風(fēng)險本研究提供了一種基于串?dāng)_的解決方案，通過在廣泛分布的酸性土壤中植物-土壤-微生物組的相互作用來支持作物產(chǎn)量的提高和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性。
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