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GeoChip|酸性土壤中根际微生物功能变化有助于基因特异性大豆耐铝性增加

来源:admin    发布时间:2020-08-21   阅读数:123

今天给大家分享一篇发表在Biology and Fertility of Soils的文章,研究发现酸性土壤有利于提高植物对铝胁迫的耐受性,文章研究方法用到了a级黄色片独门秘籍GeoChip。本文的第一作者是浙江农林大学的李永春老师。

Changes of microbial functional capacities in the rhizosphere contribute to aluminum tolerance by genotype-specific soybeans in acid soils

酸性土壤中根际微生物功能变化有助于基因特异性大豆耐铝性增加

作者:Yongchun Li,Yongfu Li,et al.

期刊:Biology and Fertility of Soils

时间:2020.04

IF:5.521

DOI: 10.1007/s00374-020-01451-2


摘 要

本文研究了铝胁迫下耐铝和铝敏感基因型大豆碳降解和氮转化过程中根系分泌物和根际微生物功能的变化。从两种大豆基因型的根际系统中收集根际土壤,通过GeoChip功能基因阵列检测微生物功能。耐铝和铝敏感基因型大豆的根际微生物功能区别明显,与可交换的铝浓度有关。耐铝基因型参与顽固性碳降解的能力低于敏感基因型,且与琥珀酸的分泌率呈负相关。相比铝敏感基因型,耐铝基因型的硝化能力较高,而反硝化能力较低,这与琥珀酸分泌较高和微生物氧化胁迫基因的丰度较低相吻合。大豆生物量随硝化能力呈对数增长。由此得出,可交换的铝浓度、根系分泌物以及微生物的碳氮循环是内在联系的,这是大豆基因型提高酸性土壤中铝胁迫耐受性的关键机制。


材料和方法

1、土壤和大豆基因型

土壤:从油料作物农田采集酸性表层土壤,测定理化性质并用于后续大豆种植;

大豆基因型:BX10,耐铝型;BD2,铝敏感型。

2、采样与检测

①本文实验共三种处理:两种不同基因型大豆及无植物的对照组,每组四个重复;

②为研究根系分泌物对根际微生物的影响,引进根盒系统进行实验与分泌物收集;

③在大豆结荚阶段,采集根际土与块状土壤样品,迅速冷却做GeoChip检测与理化性质分析。同时,收集两种基因型大豆的根系分泌物进行六种有机酸检测。烘干大豆植物地上部分记作生物量;

④2016年利用固态13C核磁共振分析评估根际土中有机碳的化学组成。


实验结果

1、土壤与植物性质

与对照相比,两种大豆基因型土壤的酸性降低,可交换态氢离子浓度降低。BX10的可交换态铝与生物量值最高,可以得知大豆种植及大豆基因型对根际SOC和总氮均无影响。

2、土壤微生物功能结构与胁迫基因的响应

经ANOSIM、 Adonis和 MRPP三种差异检验验证,BD2和对照组、BD2和BX10的微生物群落功能相差很大,BX10和对照组却没有明显差别(表1)。同样,重点关注的微生物胁迫基因的响应特性与总体群落功能保持一致。

表1 三种不同的统计方法的显著性检验

表1 三种不同的统计方法的显著性检验


3、大豆基因型对根际功能基因的影响

大豆基因型显著影响根际微生物碳循环基因组成。近一半的碳降解基因在BD2和BX10间有显着性差异。与BX10相比,BD2中参与甲壳素和木质素降解的功能基因强度更高,说明BD2对顽固性碳的降解作用更强。 BD2和BX10的根际氮循环基因结构也存在差异。BX10的关键硝化基因信号强度高于BD2,如amoA(P=0.006)和hao(P=0.058)(图1),反硝化基因正好相反。

图1 大豆基因型对根际功能基因的影响
图1 大豆基因型对根际功能基因的影响


4、微生物功能结构与环境性质、根系分泌物的关系

基于所有样本的RDA分析得出,可交换态Al(P=0.08)和pH(P=0.079)可解释微生物群落功能变化(图2)。Mantel检验说明琥珀酸、硝态氮和缩醛碳与功能基因紧密相关,可交换态Al仅与硝化基因相关(p<0.10)。

图2 样本的RDA分析结果图
图2 样本的RDA分析结果图


用与碳降解基因显著相关的根际性质做RDA分析,琥珀酸和大豆生物量是影响BX10中碳降解功能基因结构的重要因素,而NO3?-N是BD2的关键因素。回归分析表明,顽固性碳降解基因的丰度随琥珀酸分泌率呈线性下降(图 3b)。硝化基因丰度随琥珀酸分泌率(R2=0.54,p=0.038)对数增加,但随氧化胁迫基因的丰度呈线性下降(图4a, b)。氧化胁迫基因丰度随琥珀酸分泌率呈线性下降,相反,反硝化基因丰度随氧化胁迫基因丰度线性增加(图4d)。

图3 碳降解基因和植物、土壤性质的关系
图3 碳降解基因和植物、土壤性质的关系

图4 硝化、反硝化基因和琥珀酸、氧化胁迫基因的关系
图4 硝化、反硝化基因和琥珀酸、氧化胁迫基因的关系


总 结

本文结果表明,铝耐受不同的大豆基因型,通过调节根系分泌物来改变参与碳降解和氮转化的根际微生物功能。根系微生物碳降解、硝化或反硝化功能与不同基因型大豆根系有机酸的分泌速率有关。耐铝基因型大豆的琥珀酸分泌速率较高,加速碳降解和氮转化过程。因此,酸性土壤有利于提高植物对铝胁迫的耐受性。未来的研究应着重解决酸性土壤中根际微生物如何通过影响植物营养利用率而提高铝耐受性。



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