以3日齡的狗尾草(Setaria viridis A10.1)幼苗為材料，分別接種SmR1(fix +)和 SmR54(fix?) ，而對照(CTRL)植物未接種。 植株在溫室條件下接種後生長2周。 根和葉被收穫。 用熒光顯微鏡對接種 SmR1或 SmR54的植株根系進行了分析。
在過去的幾十年裡，隨著氮肥使用量的增加，農作物產量大幅度增加。氮肥雖然有利於作物生長，但對環境和氣候有負面影響，因為生產氮肥需要大量的能源。許多科學家正在尋找方法，開發更可持續的做法，在減少投入的情況下保持作物高產。
密蘇里大學的植物病理學家Gary Stacey說:“為作物提供氮的一種更可持續的方法是使用生物固氮，這是豆科作物的成熟做法。”“在大多數植物的根際，有各種各樣的固氮細菌。然而，這種促進植物生長的細菌(PGPB)在農業中作為接種劑的使用有限。”
Stacey認為，這種有限的使用是由於在作物生產中使用生物製劑的普遍問題和應用後的不同功效。他們進行了研究，以便更好地瞭解植物宿主的代謝反應，以減少作物對PGPB的反應的可變性。
“我們的研究面臨的一個挑戰是，雖然PGPB可以在根部高水平的繁殖，但繁殖的位置可能高度侷限，” Stacey說。 “因此，分離整個根導致信號的大量稀釋，因為絕大多數根細胞沒有與細菌接觸。”
為了克服這一挑戰，Stacey和他的團隊利用激光消融電噴霧質譜法(LAESI-MS)，允許他們只對那些被細菌感染的部位進行採樣，他們可以通過綠色熒光蛋白的表達來定位這些部位。
他們的結果表明，細菌定居導致了植物代謝的重大轉變，一些代謝物在接種過的植株中更為豐富，而其他代謝物，包括指示氮的代謝物，在未接種或接種無法固定氮的細菌菌株的根中減少。
“有趣的是，參與吲哚生物鹼生物合成的化合物在被固定菌株定殖的根中更為豐富，這可能反映了植物的防禦反應 ，” Stacey說。“最終，通過這些研究，我們希望能夠確定 PGPB 刺激植物生長的分子機制，從而設計出有效和一致的接種方案，以改善作物生長。”
長期以來，Stacey 的實驗室一直對生物固氮作用和植物與微生物之間的相互作用感興趣。 自從發現生物固氮作用(BNF)以來，該實驗室的目標就是將 BNF 的好處傳遞給非豆科作物，如玉米。PGPB在自然界中具有這種能力，但在實際的農業生產中還沒有得到充分的利用。
“我們認為，與其他更好研究的相互作用(如根瘤菌-豆科植物)相比，這是由於普遍缺乏 PGPB 刺激植物生長的分子機制的信息。因此，我們在實驗室項目中試圖提供這些信息，因為我們相信這些信息將提高PGPB接種劑的效力，從而增加 PGPB接種劑在作物生產中的使用。”
Stacey和他的團隊最驚訝地發現，他們沒有看到植物激素的生產的重大影響，這種激素與 PGPB 促進植物生長的能力密切相關。這表明 PGPB 對植物新陳代謝的影響比我們之前認識到的更大，細菌如何影響植物生長可能更復雜。
Beverly J. Agtuca et al,
In-Situ Metabolomic Analysis of Setaria viridis Roots Colonized by Beneficial Endophytic Bacteria, Molecular Plant-Microbe Interactions(2019).https://apsjournals.apsnet.org/doi/10.1094/MPMI-06-19-0174-R
https://phys.org/news/2020-03-reliance-nitrogen-fertilizers-biological-fixation.html
作者單位：American Phytopathological Society
譯文校稿：LuLu
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