科研 | 兰州大学:利用从Epichloë感染的醉马草根际土壤中分离的植物生长促进根际细菌缓解幼苗的盐胁迫

2021
08/30

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微生态
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本研究主要发现有E. gansuensis的A. inebrians植物的根际土壤与没有E. gansuensis的根际土壤的细菌多样性有显著的不同。

编译:微科盟清韵,编辑:微科盟木木夕、江舜尧。

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导读    

土壤盐分是一种严重的环境压力,限制了植物生长和可持续农业。植物促生根际细菌(PGPREpichloë gansuensis内生菌可用于减轻土壤盐渍化的不利影响,促进植物生长并提高对生物和非生物胁迫的抵抗力。本研究旨在调查与醉马草(Achnatherum inebrians)相关的可培养根际土壤细菌的多样性,以及E. gansuensis和PGPR在高浓度NaCl下对A. inebrians种子萌发的影响。通过传统的分离和培养技术获得PGPR菌株,然后将内生菌感染的和无内生菌感染且接种PGPR的A. inebrians种子暴露在不同浓度的NaCl中。结果表明,共分离出990个细菌菌落,这些菌落被归入18属和4门中的65个物种。主成分分析(PCA)表明,有Epichloë感染的A. inebrians植物的根际土壤与没有Epichloë感染的根际土壤具有不同的细菌多样性。当A. inebrians种子暴露在0、50、100、200 mmol/L的NaCl浓度下时,种子发芽在低盐浓度(50 mmol/L)下增强,在最高盐浓度(200 mmol/L)下被抑制。在不同的NaCl浓度下,E. gansuensis显著地促进了种子的发芽和过氧化物酶(POD)的活性。在四种不同浓度的NaCl条件下,接种三种选定的根际细菌分离株可显著提高种子的发芽率。本研究提供了新的证据,即用PGPR接种内生菌感染的和未感染的A. inebrians种子可以减少盐胁迫对种子发芽的影响,并为进一步研究PGPR促进A. inebrians种子发芽的机制提供了科学依据。

论文ID


原名:Alleviating salt stress on seedings using plant growth promoting rhizobacteria isolated from the rhizosphere soil of Achnatherum inebrians infected with Epichloë gansuensis endophyte

利用从Epichloë感染的Achnatherum inebrians根际土壤中分离的植物生长促进根际细菌缓解幼苗的盐胁迫

期刊Plant and Soil

IF:4.192

发表时间:2021.06.03

通讯作者:张兴旭

通讯作者单位:兰州大学

实验设计


主要内容


1 根际土壤细菌多样性
土壤细菌群落组成
本研究从根际土壤中共获得990株细菌。将基因序列提交给NCBI后,获得了表S1中提供的相应序列号。这些序列被划分为4门18目65种,从土壤中获得的W-EI(野生内生菌感染)、C-EF(培养的无内生菌感染)和C-EI(培养的内生菌感染)处理中细菌分离物的数量在图1和表1中给出。根际土壤培养细菌群落由Firmicutes(47.69%)、Proteobacteria(26.15%)、Bacteroidetes(20.00%)和Actinobacteria(6.15%)组成。在W-EI、C-EF和C-EI处理醉马草A. inebrians的土壤细菌群落中,Firmicutes是最丰富的门。这4个细菌门存在于这些处理的根际土壤中。ArthrobacterPhyllobacterium细菌仅见于C-EI和W-EI处理的根际土壤。
 

图1 三种不同条件下醉马草根际土壤中可培养细菌的相对丰度。处理:W-EI(野生内生菌感染)、C-EF(培养的无内生菌感染)和C-EI(培养的内生菌感染)。
 
表1 三种不同条件下醉马草根际土壤中可培养细菌的种类和相对丰度。

 
土壤细菌群落多样性
在野生环境中生长的A. inebrians根际土壤中细菌群落的Simpson和Shannon指数显著高于栽培条件(图2B,C)。W-EI处理的A. inebrians根际土壤细菌群落的Chao1指数显著高于C-EI(图2A)。物种丰富度表明,C-EF和C-EI处理的A. inebrians根际细菌种类数低于W-EI处理的A. inebriansE. gansuensis显著减少A. inebrians根际土壤可培养细菌群落的细菌物种种类(图2D)。主成分分析(PCA)表明,第一和第二主成分的比例分别为84.1%和11.3%(图S1)。第一个主要成分的比值表明根际土壤细菌群落的W-EI和C-EI培养模式不同。第二个主要成分的比值表明C-EF、C-EI和W-EI处理的植物根际土壤群落的差异。
 

图2 三种不同条件下醉马草根际土壤细菌群落的Chao1(A)、Simpson(B)、Shannon(C)和物种指数(D)。
 
2 PGPREpichloë endophyte对醉马草耐盐性的影响
不同盐度下醉马草A. inebrians种子的发芽率和指数
Epichloë内生菌、细菌和盐浓度对A. inebrians的发芽率有显著的影响。在A. inebrians的发芽率方面,存在内生菌×盐浓度和PGPR×盐浓度的相互作用(表2)。与在无盐条件下的发芽相比,发芽率在中等盐浓度下提高,但在较高盐浓度下受到抑制,并在50 mmol/L时达到峰值(图3A、B)。在所有的盐浓度下,Arthrobacter sp.、Bacillus sp.和Pseudomonas sp.增强了A. inebrians种子的发芽率。在所有盐浓度下,Epichloë的存在显著提高了A. inebrians种子的发芽率。A. inebrians的发芽指数存在PGPR与盐浓度的交互作用。相对于无盐条件下的发芽,发芽指数在中等盐浓度下增强,但在较高盐浓度下受到抑制,在50 mmol/L时达到峰值(图3C、D)。在所有的盐浓度下,Arthrobacter sp.显著提高了A. inebrians种子的发芽指数。
 

图3 Epichloë内生菌和PGPR(Arthrobacter sp.(AR)、Bacillus sp.(BA)和Pseudomonas sp.(PS)),Luria broth(LB)接种对不同NaCl浓度下A. inebrians的发芽率(A和B)和发芽指数(C和D)的影响。
 
不同盐度下A. inebrians种子的根长和芽长
对于A. inebrians的根长,存在内生菌×盐浓度、PGPR×盐浓度和内生菌×PGPR×盐浓度相互作用(表2)。此外,相对于无盐条件下的发芽,发芽幼苗的根长在中等盐浓度下得到增强,但在较高的盐浓度下受到抑制,在50 mmol/L时达到峰值(图4A、B)。同时,接种Bacillus sp.显著增加了A. inebrians在所有盐浓度下发芽种子的根长度。对于A. inebrians的幼苗长度,存在内生菌×盐浓度和PGPR×盐浓度相互作用。此外,随着NaCl浓度的增加,芽长逐渐减少(图4C、D)。在所有NaCl浓度下,只有接种Pseudomonas sp.能显著增加幼苗长度。在0 和100 mmol/L的NaCl浓度下,内生菌显著增加了幼苗长度。
 
表2 内生菌(E)、细菌(B)和盐浓度(C)对A. inebrians发芽率、发芽指数、根长和芽长影响的三因素方差分析。

 

图4 Epichloë内生菌和PGPR(Arthrobacter sp.(AR),Bacillus sp.(BA)和Pseudomonas sp.(PS)),Luria broth(LB)接种对不同NaCl浓度下A. inebrians的根长(A和B)和芽长(C和D)的影响。 
A. inebrians的抗氧化系统
对于A. inbrians的SOD活性,存在内生菌×盐浓度和内生菌×PGPR×盐浓度的相互作用(表3)。相对于无盐条件下的发芽,内生菌感染和未感染的A. inebrians植物的SOD活性在中等盐浓度下增强,但在较高的盐浓度下被抑制,在50 mmol/L时达到峰值(图5A、B)。此外,Bacillus sp.显著增加了SOD的活性。同时,在0 mmol/L的NaCl浓度下,内生菌的存在显著增加了植物的SOD活性。对于POD的活性,存在内生菌×盐浓度的相互作用。内生菌感染和未感染植物的POD活性在中等盐浓度下增强,但在较高盐浓度下抑制,峰值为50 mmol/L。此外,Bacillus sp.显著增加了POD活性(图5C)。内生菌的存在显著增加了植物在所有NaCl浓度下的POD活性(图5D)。对于CAT的活性,存在内生菌×盐浓度和PGPR×盐浓度相互作用。内生菌感染和未感染植物的CAT活性在中等盐浓度下增强,但在较高盐浓度下抑制,峰值也为50 mmol/L。此外,Pseudomonas sp.显著增加了CAT的活性(图5E)。同时,除了200 mmol/L的NaCl浓度外,内生菌感染的植物幼苗的CAT活性显著高于未感染的幼苗(图5F)。
 

图5 Epichloë内生菌和PGPR(Arthrobacter sp.(AR),Bacillus sp.(BA)和Pseudomonas sp.(PS)),Luria broth(LB)接种对不同NaCl浓度下A. inebrians的SOD(A和B)、POD(C和D)和CAT(E和F)活性的影响。
 
表3 内生菌(E)、细菌(B)和盐浓度(C)对A. inebrians的SOD、POD、CAT、PPO和MDA影响的三因素方差分析。  

 
A. inebriansPPOMDA含量
对于A. inebrians的PPO含量,存在内生菌×盐浓度和PGPR×盐浓度的相互作用(表3)。此外,相对于无盐条件下的发芽,Epichloë感染和未感染的植物的PPO活性在中等盐浓度下增强,但在较高盐浓度下受到抑制,在50 mmol/L时达到峰值。比较接种了PGPR的EI和EF植物,Pseudomonas sp.显著增加了PPO的活性。此外,在0和100 mmol/L的盐浓度下,内生菌显著增加了植物的PPO活性(图6A、B)。对于MDA含量,存在内生菌×盐浓度、内生菌×PGPR、PGPR×盐浓度和内生菌×PGPR×盐浓度的交互作用。此外,随着NaCl浓度的增加,内生菌感染和未感染植物中 MDA的含量逐渐增加,比较接种PGPR的EI和EF植物,Bacillus sp.显著增加了MDA的含量(图6C)。内生菌在200 mmol/L的盐浓度下显著增加了植物的MDA含量(图6D)。
 

图6 Epichloë内生菌和PGPR(Arthrobacter sp.(AR),Bacillus sp.(BA)和Pseudomonas sp.(PS)),Luria broth(LB)接种对不同NaCl浓度下A. inebrians的PPO(A和B)和MDA(C和D)含量的影响。
 

讨论


根际土壤细菌,尤其是PGPR,对于维持农业和草地生态系统的稳定性和参与养分循环方面非常重要。作为影响环境和生态平衡最具破坏性的环境因素,土壤盐渍化已成为一个活跃的研究课题。为了减轻土壤盐渍化的负面影响,PGPR的有益特性已被用于在不利条件下直接或间接促进植物生长。本研究旨在调查甘肃E. gansuensis对栽培和自然野生的A. inebrians根际土壤可培养细菌群落组成和多样性的影响,并研究了E. gansuensis和PGPR对A. inebrians的耐盐性的影响。

1 内生菌对根际土壤细菌生物多样性的影响
农业和草地生态系统中土壤细菌的生物多样性
在陆地生态系统中,土壤中含有复杂的真菌和细菌群落,一些研究已经对与A. inebrians植物相关的土壤真菌和细菌生物多样性进行了研究。本研究表明,Proteobacteria和Firmicutes是主要的土壤细菌门水平。Proteobacteria或Firmicutes是不同土壤类型中的优势细菌门类,如农田和森林土壤。在目前的研究中,在A. inebrians的根际土壤的培养细菌群落中,Firmicutes门的优势属是Bacillus。这些结果与之前的一些研究相一致,Bacillus是农业土壤、苔原土壤和盐碱地土壤中普遍分布的属。

内生菌对根际土壤细菌多样性的影响
先前的研究表明,土壤微生物生物多样性受到高羊茅(Festuca arundinacea)的Epichloë内生菌的影响。Epichloë内生菌的存在增加了Glomeromycota的相对丰度,而它没有改变总真菌生物量。E. occultans不影响意大利黑麦草的根际土壤细菌呼吸。本研究表明,甘肃E. gansuensis在单一栽培条件下显着减少了A. inebrians根际土壤中可培养的细菌种类的数量。这一结果与我们之前的研究并不完全一致。我们以前的研究表明,E. gansuensis降低了A. inebrians根系相关细菌群落的多样性,增加了根际土壤细菌群落的多样性。研究结果的差异反映了当前研究中使用的传统平板法只能检测可培养物种和高浓度物种的存在。内生菌Epichloë如何影响根际土壤细菌的机制尚不清楚。Epichloë通过产生次生代谢物,如生物碱、根系分泌物和挥发性根有机化合物来影响根际土壤细菌生物多样性。先前的研究还发现,Epichloë引起土壤性质的变化,包括土壤pH值、总氮含量、总有机碳含量和生物量C。E. gansuensis被发现可以降低了根相关细菌群落的多样性并增加了根际土壤细菌群落的多样性,这与土壤有效氮减少有关。与先前的发现一致,除了对栽培地块的物种丰富度有影响外,E. gansuensisA. inebrians的根际土壤细菌多样性没有影响。

2 不同盐浓度下Epichloë内生菌和PGPRA. inebrians种子萌发的影响
种子萌发涉及一系列生理和代谢过程,这些过程受遗传和环境因素的影响,例如pH、湿度、温度和盐度。作为限制种子萌发的主要驱动因素,盐胁迫严重影响植物形态和功能并降低植物生物量。在某些情况下,高盐度通过改变渗透胁迫和特定离子毒性对种子萌发和植物生长产生不利影响。低盐浓度会促进种子发芽和植物生长,而高盐浓度会抑制种子发芽和植物生长。该结果与本研究的实验结果一致。此外,之前的一项研究表明,带有内生菌的A. inebrians植物的SOD、POD和CAT的活性以及发芽率显着高于不含内生菌的种子。这一发现与本研究的实验结果一致,表明土壤盐渍化对许多冷季型草的不利影响可以通过E. gansuensis内生菌和PGPR得到缓解。

Epichloë内生菌对种子萌发的影响
先前的研究发现,在各种非生物环境胁迫下,Epichloë内生菌对L. perenneElymus sibiricus、tall fescue、Bromus setifoliusA. inebrians的发芽能力有积极影响。在种子传播真菌的压力下,Epichloë提高了E. sibiricus种子的发芽率、胚芽鞘和胚根长度。E. festucae改善了L. perenne的种子发芽和幼苗生长。与未感染内生菌的植物相比,在镉胁迫下,内生菌感染的A. inebrians植物表现出更高的发芽率和指数,以及更长的芽和根。本研究也表明,在不同NaCl浓度下,Epichloë内生菌的存在增加了A. inebrians的发芽率、发芽指数和根长以及芽长。此外,内生菌感染的多年生植物SOD和POD的活性高于无内生菌植物,而MDA含量较低。Epichloë感染的A. inebrians植物比未感染的植物具有更高的SOD、POD、CAT活性以及MDA和抗坏血酸过氧化物酶的含量。在本实验也中发现了类似的结果,即在不同NaCl浓度下,Epichloë内生菌提高A. inbrians的SOD、POD、CAT、PPO的活性以及MDA含量,这种增加将提供保护,防止活性氧(ROS)的积累。之前的研究提出,真菌共生体预计会改变植物对环境和生态因素变化的反应,并表明考虑植物-真菌共生体对于预测生态系统对全球变化的反应至关重要。已经发现真菌共生体对植物有益的许多机制,包括产生各种代谢物,包括吲哚乙酸、赤霉素和氨基酸。真菌共生体的存在可导致多种抗生素的分泌,改善养分吸收以及对环境压力的耐受性。

PGPR对种子萌发的影响
本研究结果表明,在不同盐浓度下接种选择的PGPR三种细菌物种菌株对A. inebrians种子的萌发产生有益影响。三种选择的细菌都对种子发芽率有积极的影响,但对SOD、POD、MDA、CAT和PPO的影响不同。有研究发现M. sativa的发芽指数、发芽率和胚芽长度在接种Pseudomonas sp.后增加。本研究表明,在不同的盐浓度下,接种Pseudomonas sp.可以增加A. inebrians的发芽率、芽长以及CAT和PPO的活性。本研究结果还表明,在不同的盐浓度下,接种Bacillus sp.可以明显增加A. inebrians发芽率、根长和提高SOD、POD的活性以及MDA含量。有研究发现应用Arthrobacter sp.和B. megaterium能够在Lycopersicon esculentum幼苗中产生吲哚乙酸以缓解盐胁迫。本研究目前发现接种Arthrobacter sp.可以提高不同盐浓度下植物的发芽率和发芽指数。另外,Bacillus菌株产生各种植物激素来诱导植物抗性和促进生长。研究表明PGPR通过产生1-氨基环丙烷1-羧酸酯(ACC)脱氨酶来抑制乙烯产生以缓解环境压力,从而在调节植物生长和根系发育方面发挥重要作用。ACC含量的变化会触发抗氧化酶(如SOD、POD和CAT)的变化,以抵抗不利的环境条件。这一结果与目前的本研究一致,即接种PGPR可以增加A. inebrians种子对盐胁迫的抵抗力。
 

结论


本研究主要发现有E. gansuensisA. inebrians植物的根际土壤与没有E. gansuensis的根际土壤的细菌多样性有显著的不同。此外,E. gansuensis和PGPR增加了在不同的NaCl浓度下A. inebrians种子的发芽率以及幼苗保护酶的活性。本研究提供了新的证据,表明接种根际细菌可以降低盐胁迫对种子萌发的影响,并为进一步研究PGPR促进A. inebrians种子萌发的机制提供了科学依据。
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关键词:
土壤,细菌,研究,植物

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