作物根系转录组与根中的真菌群落结构有什么样的特点呢?

本文系作者一直勇往直前不放弃原创,未经允许禁止转载。

对拟南芥、水稻和玉米的研究表明,根际区域的微生物群落结构受土壤类型的影响,而且与土壤质地和有机质含量有关。改变土壤营养状况、pH、温度、水分和通气等会影响土壤理化性质的措施也会对植物根际区域微生物群落结构产生影响。刘俊杰等(2008)研究表明,施磷会显著影响大豆根际细菌和真菌群落结构。在特定土壤类型及环境下,植物类型是影响土壤微生物群落结构的主要因素。

作物根系转录组与根中的真菌群落结构有什么样的特点呢?

大豆种植田

近期的研究表明,相同植物的不同基因型会影响根际微生物群落结构。植物细胞可以感知微生物释放的信号分子并启动免疫防御代谢反应,而且普遍认为植物免疫防御系统是影响其根际微生物群落结构的主要因素。另外,将分别来自拟南芥(不灭菌培养)根系和叶片的相同种类细菌,按一定比例组合,组成“人工细菌群落”,接种到种植拟南芥的无菌土壤中。结果发现该拟南芥叶片中细菌群落结构与不灭菌拟南芥叶片细菌群落更相似,根中细菌群落结构与不灭菌拟南芥根系细菌群落更相似,表明了不同植物器官与微生物的相互选择或适应。

作物根系转录组与根中的真菌群落结构有什么样的特点呢?

拟南芥

作物如玉米的轴根和侧根在结构和功能方面具有显著遗传学差异。玉米不同根系类型对局部硝酸盐处理具有显著的侧根密度响应及转录组功能差异。在水稻研究中也发现,丛枝菌根真菌在轴根和侧根中的群落分布不同,并且轴根和侧根受到丛枝菌根真菌侵染后表现出转录组功能差异。以上研究表明,作物根系在响应非生物及生物胁迫时表现出明显的根系类型差异特征即在同一根系的不同类型之间存在着结构功能互补及微生物互作特点。

作物根系转录组与根中的真菌群落结构有什么样的特点呢?

玉米根

结合高通量转录组测序技术和扩增子基因测序技术,对缺磷和充足供磷下田间吐丝期玉米在0~30cm土层中的轴根和侧根进行转录组和真菌群落结构鉴定,发现不同根系类型(轴根、侧根)和供磷水平间玉米根系转录组存在差异,且轴根、侧根间的差异大于供磷水平间的差异,表明转录组特性主要由根系类型差别而定。供磷水平也显著影响玉米吐丝期土体土及玉米不同类型根系中的真菌群落结构。根中的真菌群落结构在轴根、侧根间和供磷水平间均存在差异,而且均与土体土真菌群落结构存在差异。进一步分析OTU及真菌群落多样性发现,低磷土壤的土体土真菌群落多样性显著高于高磷土壤,并且不同磷水平下不同根系类型显著富集特定的真菌OTU,如低磷轴根富集40个OTU,高磷侧根中富集55个OTU。

作物根系转录组与根中的真菌群落结构有什么样的特点呢?

玉米吐丝期

另外,在不同供磷强度下侧根中的真菌多样性高于轴根,同样侧根中真菌群落对磷的响应高于轴根。说明植物根系对微生物群落具有明显选择性富集的现象。田间研究发现,不同玉米根系类型同样影响内生真菌的群落组成。在低磷条件下接合菌门和子囊菌门为侧根的优势门类,而轴根以壶菌门为主;高磷条件下,侧根中担子菌门和球囊菌门为优势门类。以上结果说明,侧根是真菌菌群主要活跃的优势载体,并且随着磷水平的变化,其真菌群落复杂性相应发生变化。表明玉米根系类型选择性吸引寄生真菌直接受到供磷水平的影响,或者间接受根系分泌物的影响。已经在拟南芥和甘蔗中发现,根系和叶片中的细菌及真菌群落显著不同。我们的研究表明,即便在同一器官的不同部分中,真菌群落结构同样具有差异。

作物根系转录组与根中的真菌群落结构有什么样的特点呢?

玉米根系

对不同根系类型响应供磷水平的差异表达基因分析发现,低磷条件下有954个特定的差异表达基因,高磷下有3277个特定的差异表达基因。对特定的差异表达基因进行Mapman功能分析及 Fisher精确检验表明,细胞壁、次级代谢、激素代谢及胁迫过程为不同供磷下较为保守的生物学过程。进一步对差异显著的生物学过程进行卡方检验分析,发现低磷下细胞壁代谢过程主要在轴根中富集,而高磷下主要在侧根中富集;另外,刺激代谢及胁迫反应过程在高磷下显著在侧根中受到诱导。以上功能分析说明,根系转录组变化受到根系类型及磷水平的共同影响。已有研究发现,植物自身的磷营养状况及获取磷的能力可以影响植物根系的细菌群落构成,还影响内生真菌侵染寄主根系的能力。

作物根系转录组与根中的真菌群落结构有什么样的特点呢?

碗里的磷肥

我们发现土壤的供磷水平及根系类型特性同样影响内生真菌群落构成,说明植物自身及外界磷状况与根系真菌寄生能力具有密切联系。丛枝菌根真菌侵染根系增加对磷养分的吸收具有广泛共识。研究发现丛枝菌根真菌在侧根中侵染显著高于轴根,与水稻中的研究结果一致。此外,一级侧根的侵染显著高于二级侧根。丛枝菌根真菌相关的基因Pht1;2,Pht;5,和Phtl;6转录本累积与侵染结果一致。低磷条件下丛枝菌根真菌在侧根中的高度侵染及相关的磷转运蛋白基因的诱导表达,充分说明低磷下丛枝菌根真菌对磷素吸收途径的重要性。已有研究表明,高磷抑制丛枝菌根真菌侵染及相关磷转运蛋白基因表达。如果侵染的真菌不具备向寄主供应磷素的能力,寄主会抑制该菌的侵染,植物会选择高效供磷的真菌物种抑制低效物种侵染。即便是在高磷条件下,侧根的侵染强度及真菌群落结构仍然高于轴根,说明侧根特定的细胞壁修饰过程起到关键作用。


分享到:


相關文章: