互作转录组测序助力揭示内生细菌促进寄主植物生长机制

2021
09/29

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派森诺生物
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期刊:Frontiers in Microbiology

影响因子:5.640

文章题目:Endophytic Bacillus altitudinis Strain Uses Different Novelty Molecular Pathways to Enhance Plant Growth

技术手段:16s rRNA、RNA-Seq(互作转录组)

派森诺生物与山东元泰生物工程有限公司携手合作,于近期在《Frontiers in Microbiology》上发表了内生细菌促进拟南芥生长的研究成果。

研究背景

植物内生细菌的鉴定和利用是可持续农业发展的重要目标。在自然界中,植物可以与多种促进植物生长的内生细菌共存,这些细菌可通过增强寄主的养分获取、固氮、获取铁和产生铁载体的能力来促进寄主生长,也有研究认为,内生细菌能产生促生长的植物激素,如IAA、ACC等。然而目前内生细菌促进寄主生长的分子机制仍无定论。

野生植物面临着复杂多变的生存环境和胁迫条件,从这类物种中分离出的内生细菌更有可能促进多种植物生长。因此,本研究旨在从野生植物中分离和鉴定内生细菌,并对其促进植物生长的特性和参与内生细菌-植物相互作用的主要分子事件进行研究。

技术路线图

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研究结果

1、 内生细菌的分离和鉴定

从野生植物:中华甜茅中分离出6种内生细菌,其中只有菌株SB001能够稳定定植。利用16s rRNA测序进行菌种鉴定和系统发育树构建,最终确定该菌株为高原芽孢杆菌Bacillus altitudinis(图1)。

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图1 内生细菌SB001的16S rRNA系统发育树

2、 菌株SB001促进不同植物的生长

随后对内生菌株SB001在不同植物种类中的促生长作用进行了评价。SB001处理后拟南芥生长显著,表现在莲座直径、叶片大小和鲜重显著增加(图2)。类似地,SB001也显著刺激了烟草和玉米植株的生长,然而其对大豆植株生长没有显著影响。总体而言,这些结果表明,接种SB001后不同植物的营养生长都得到了一定程度的改善。

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图2 内生细菌SB001显著诱导拟南芥生长

3、 菌株SB001诱导植物生长相关基因的转录水平变化

拟南芥部分:

RNA-seq数据分析显示,与对照拟南芥相比,互作样品中有368个差异表达的基因,上调基因256个,下调基因112个(图3)。其中,成熟酶K、TPR-like超家族蛋白、LOB结构域蛋白、BTB/POZ和TAZ结构域蛋白在细菌-拟南芥互作过程中上调表达程度最高,而转录因子:TF ASR3、TF MYB90和O-甲基转移酶家族蛋白在细菌-拟南芥互作过程中受到显著抑制(表1)。进一步对差异表达基因进行富集分析。GO富集分析显示,富集程度最高的条目是NADH脱氢酶(醌)、NADH脱氢酶(泛素)活性、NADH脱氢酶和氧化还原酶(图4 A);KEGG富集分析中,最值得关注的通路为氮代谢和氧化磷酸化途径(图4 B)。

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图3 差异基因的火山图

表1 拟南芥部分最重要的差异表达基因(篇幅原因仅展示部分)

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上调表达的基因中,成熟酶K基因的表达与发育阶段、黄化以及发育和光合作用的调控过程有关,其上调表达可能通过增强光合作用对植物生长产生影响;TPR蛋白在植物激素信号(如GA、细胞分裂素和乙烯)传递中发挥重要作用;含有LOB结构域的蛋白基因可编码一些植物特异性转录因子,可调节植物器官发育、光形态建成、叶柄发育、激素反应和代谢;此外,BTB/POZ和TAZ结构域蛋白基因在配子体发育过程中是必需的。下调表达的基因中,TF MYB90可能与植物生长相关:有研究表明,番茄TF AtMYB90的异源表达增加了番茄花青素的产量,抑制了番茄植株的生长。

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图4 差异基因的GO和KEGG富集分析

原核部分:

此外,也在互作样本中鉴定到3413个来自菌株SB001的基因。与对照组相比,互作样本有22个基因上调,8个基因下调。其中,MFS转运体、蔗糖-6-磷酸水解酶、磷酸ABC转运体、DNA旋转酶B亚基、多糖生物合成蛋白、丝氨酸磷酸酶和鞭毛生物合成蛋白的基因上调表达程度最高。此外,延伸因子G、2,3-丁二醇脱氢酶、二氢脂酰胺琥珀酰转移酶、脯氨酸脱氢酶基因则受显著抑制(表2)。

表2 原核部分最重要的差异表达基因(篇幅原因仅展示部分)

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有研究表明,MFS转运体促进不同分子的运输,如糖、维生素、氨基酸和激素穿过细胞膜,该基因的高表达允许运输重要的激素参与植物的生长;另外对拟南芥的旋转酶-A基因进行沉默导致胚胎死亡,而对旋转酶-B基因进行沉默则会严重影响其生长发育,因此反推过表达旋转酶基因可能促进植物生长。

综上,内生细菌SB001能够通过激活植物生长的重要途径,尤其是植物激素和转录因子的合成,从而促进其生长。

总 结

本研究从野生植物中华甜茅(Glyceria chinensis)中分离并鉴定了一种新的内生细菌:SB001。

通过16S rDNA测序,该细菌被鉴定为高原芽孢杆菌Bacillus altitudinis。

温室实验证明,内生菌SB001能促进不同植物的生长。

转录组测序结果表明,成熟酶K、TPR样超家族蛋白、LOB结构域蛋白和BTB/POZ/TAZ结构域蛋白可能参与了内生菌SB001对拟南芥的促生作用;此外,在内生菌中发现了与植物相互作用过程中主要促进因子:MFS转运体和DNA旋转酶亚基B。

这些新发现表明,内生菌SB001可作为促进植物生长的有利候选源,在可持续农业中发挥重要作用。

本研究的互作转录组测序和数据分析工作由上海派森诺生物科技有限公司完成。

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关键词:
SB001,转录组,内生菌,转运体,内生,寄主,细菌,测序,机制,植物,揭示,生长,促进,基因,蛋白,南芥,激素,菌株

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