外源菌與土著菌協同代謝促進植物健康

笑大 2021-10-17

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養(yǎng)分相互作用在推動微生物群落的組裝和功能方面起著核心作用,。在腸道或土壤生態(tài)系統中,，有效的定殖總是有助于成功接種；然而接種菌和根際土著細菌之間的代謝物交換鮮有研究,。近日南農張瑞福研究團隊利用生物信息學,、遺傳學、轉錄組學和代謝組學分析,，揭示了接種劑（Bacillus velezensis SQR9）和黃瓜根際土著細菌施氏假單胞菌（Pseudomonas stutzeri）養(yǎng)分互作關系,，相關研究“Bacillus velezensisstimulates resident rhizospherePseudomonas stutzerifor plant health through metabolic interactions”發(fā)表于微生物頂級期刊The Isme Journal.

編者點評：該研究提出了一種利用具有協同效應的微生物菌劑促進植物健康的方法，這是了解根際微生物組中微生物間相互作用的重要一步,。

外源菌與土著菌協同代謝促進植物生長模式圖

SQR9被根系分泌物吸引并在根際定殖,，形成生物膜，分泌代謝產物,，增加本地植物有益屬（如假單胞菌屬）的豐度,。通過形成緊密相關的生物膜，它們共享細胞外基質和必要的代謝產物,，從而提高它們在根際的適應性,。

背景

植物微生物組對植物健康至關重要。植物?微生物組互作通過各種機制促進生長,、緩解脅迫和抵御病原侵染,，提高植物適應性。直接作用如產生植物激素或1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸脫氨酶,、誘導系統抗性以及固氮,、溶磷和分泌鐵載體增加植物營養(yǎng)。間接作用包括產生抗生素抑制病原體,、在根際和根內競爭生態(tài)位,，促進菌根功能，改變根際微生物群落結構等,。然而,，微生物群落組成的高度復雜性使得回答圍繞自然微生物群落的基本生態(tài)學問題具有挑戰(zhàn)性。過去十年中出現了以合成菌群（SynCom）為重點的研究,，為農業(yè)生產提供了可持續(xù)解決方案,。SynCom是一個微生物群落，通過混合選定的菌株來實現對植物的有益影響,。這種方法能夠在受控、可重復的條件下對宿主和微生物特性進行詳細評估,。

SynCom設計通?；诠δ芎突プ鞯脑瓌t，在此過程中?細胞相互作用在穩(wěn)定性和魯棒性方面起著關鍵作用,。鑒于根際代謝物的高度復雜性,，代謝物交換可能驅動植物微生物群落中的物種相互作用,。腸道微生物群研究發(fā)現，營養(yǎng)共生可以顯著擴大SynComs中每個成員的生態(tài)位空間,，也有助于維持自然微生物群落的多樣性和穩(wěn)定性,，而空間結構，尤其是生物膜,，對營養(yǎng)共生的發(fā)展及其進化至關重要,。然而，與腸道微生物群研究的豐富知識相比,，關于根際代謝物營養(yǎng)共生的研究相對較少,。利用這種代謝互惠關系可以設計綠色農業(yè)的強大益生菌組合。

芽孢桿菌屬和假單胞菌屬是根際研究最廣泛的有益微生物,，目前可用于農作物農業(yè)生產的幾種商業(yè)產品屬于這兩個屬,。盡管植物生長促進根際細菌（PGPR）的生防能力和促進植物生長的作用已經得到了深入的研究，但它們對本地根際微生物群落組成的影響仍然沒有得到充分的探討,。微生物接種劑被證明可以招募有益微生物,，如黃桿菌、假單胞菌,、農桿菌和溶桿菌等,，并抑制土壤?傳播病原體。有人提出,，除了與寄主植物直接相關外,，還可以通過招募有益物種來重塑土壤微生物群落的結構和功能，從而抑制病害和促進生長,。PGPR和招募的有益微生物之間未發(fā)現的相互作用會影響根際接種劑的功能,。與其關注與植物的單一關聯，還不如關注接種劑如何調節(jié)本地微生物組的結構,，以及微生物相互作用如何影響所用接種劑的功能,。

植物有益芽孢桿菌，包括B.velezensis SQR9,，以促進植物生長,、抑制病害和增強鹽脅迫耐受性而聞名。根系定殖和植物生長促進特性需要在根系上形成有效的生物膜,。用于產生生物膜細胞外基質的基因包括epsA-O操縱子（編碼胞外多糖EPS）和tapA sipW tasA操縱子（編碼tasA蛋白纖維）,。將相應的生物肥料接種到土壤中，增加了具有抗真菌活性的本土微生物群的豐度,，如溶桿菌屬,，這可能在土壤抑制中發(fā)揮關鍵作用，但作用機制尚不清楚,。

實驗設計

根際采樣：黃瓜種子經表面滅菌,，在?Muarshige Skoog（MS）培養(yǎng)基[23]中生長兩周,，然后轉移至2?kg土壤預接種10?ml velezensis B.SQR9懸浮液，沒有接種細菌的普通土壤中生長的植物作為對照,。16天后,，收集根際土壤。每個處理有六個重復,。

菌株分離,、培養(yǎng)條件和突變體構建：為了分離協同細菌，收集接種了SQR9菌株的新鮮黃瓜根際土壤,，將其懸浮在PBS緩沖液中,，并進行劇烈旋轉。系列稀釋培養(yǎng)?27天,。選擇267個菌落,，并使用16S rRNA基因的PCR進行系統發(fā)育特征分析。

基因組組裝與注釋：選擇P.stutzeri XL272,，用含有DsRed標記的mini-Tn7轉座子進行修飾,，使用PacBio RS II平臺和HiSeq 4000平臺（Illumina）對基因組進行測序。

代謝模型重建與種間代謝交換分析：CarveMe用于重建SQR9和XL272的基因組規(guī)模代謝模型,。使用SMETANA分析雙物種聯合體的代謝相互作用潛力,，確定了所有可能的交換代謝物。

微生物組分析：土壤樣品的總DNA,，16srrna基因V3-V4區(qū)擴增子測序,。

其他試驗：生物膜形成試驗、生物膜生物量定量分析,、轉錄組學分析和qRT-PCR驗證,、代謝促進試驗和代謝組學分析。

結果

B.velezensis SQR9誘導假單胞菌在黃瓜根際富集：施用SQR9后,，假單胞菌屬,、Vogesella屬、假黃單胞菌屬,、黃桿菌屬,、假杜氏菌屬、溶桿菌屬,、克雷伯菌屬和細胞弧菌屬增加,，其中8個為假單胞菌屬，SQR9可能招募有益的假單胞菌并與其進行協同作用,。

被招募的假單胞菌與SQR9有協同作用：從接種SQR9的植物根際分離了267個細菌分離株,，根據16S rRNA基因序列鑒定了六個假單胞菌菌株，其中有五株在共培養(yǎng)中表現出增強的生物膜表型,， XL272尤其明顯,，共培養(yǎng)生物膜干重增加了三倍以上。

SQR9對根際微生物群落,、生物膜表型和預測協同作用的細菌數量的影響

XL272與 SQR9在富培養(yǎng)基中協同形成生物膜,，在最低營養(yǎng)培養(yǎng)基中不協同形成生物膜：在生物膜模式下可能通過生態(tài)位分配進行合作。

在一定條件下兩種菌在生物膜形成上有協同作用

B.velezensis生物膜基質胞外多糖和TasA需要協同作用：生物膜基質成分EPS和TasA是種間正相互作用所必需的,。

生物膜基質胞外多糖和TasA協同作用

P.stutzeri XL272可能為B.velezensis SQR9提供BCAAs：在共培養(yǎng)中,，SQR9被下調代謝途徑包括氨基酸生物合成和代謝、硫代謝,、硒化合物代謝,、碳水化合物生物合成和代謝、次級代謝產物生物合成和ABC轉運體,，而在XL272中反過來上調,，表明，SQR9中BCAAs產量的減少可能由 XL272補償,。重建了基因組規(guī)模的代謝模型,，預測了可能的交換代謝產物，表明XL272有可能將兩種BCAAs（L-纈氨酸和L-亮氨酸）釋放到SQR9,。