发表时间：2021.10.30
发表期刊：International Journal of Molecular Sciences（IF 5.923）
研究背景：
盐分是干旱和半干旱地区的一个主要环境问题，它给植被带来压力，并加剧其他压力的影响，包括缺水、营养不足和土壤碱度。植物修复被认为是一种治理盐碱化土壤的成本效益好和环境友好的技术。Mesembryanthemum crystallinum L.，又称冰草，可被用来修复盐渍化土壤，然而，冰草存在初始生长缓慢的问题，并且在较高含盐量条件下，需要很长一段时间才能吸收NaCl。内生细菌的应用可能会改善这一问题，但人们对内生细菌如何影响冰草生长以及冰草的生化和生理特性了解还存在差距。研究对象：根际微生物 + 内生细菌 + 冰草
研究方法：16S rRNA基因测序 + 代谢组检测
研究设计：
采集三个不同地区的土壤，在不同的盐分（50 mM，200 mM和350 mM）下种植冰草。取各个处理的根，经表面消毒后，用16S测序进行内生细菌分析。然后从冰草叶和根分离和培养内生菌。经过两轮筛选促植物生长的内生细菌（PGPE），将它们与冰草种子一起培育，通过测定冰草生长1周后的鲜重和根长，来评价各菌株的促生效果。对选定的菌株测定促植物生长的特征并进行系统发育分析。最后，对接种PGPE 2和4在不同处理下的冰草进行代谢组学分析。
冰草可以在含50 mM和200 mM NaCl的土壤中生长。然而，当Nacl浓度达到350 mM时，三种土壤中的冰草生长都会受到抑制。在所有土壤中，内生细菌的数量随着盐浓度的增加而增加。然而，无论盐度如何，根际细菌的数量在不同的处理之间却是相似的（图1）。生长在三种不同土壤里的冰草内生细菌家族见图2。
图1 根际土壤微生物（a-c）和内生细菌（d-f）的数量
图2 生长在三种不同土壤里的冰草内生细菌家族
总共分离到64个耐盐的PGPE菌株，其中有10株属于吲哚-3-乙酸（IAA）高产菌株。为评价这些菌株对冰草初始生长的影响，选择了两个菌株（菌株2和4）进行进一步分析。只有4号菌株会产生IAA。在这两个菌株中都没有检测到其他促进植物生长的性状。菌株2和4分别与链霉菌属（Streptomyces spp.）和细杆菌属（Microbacterium spp.）有较高的序列相似性。通过小瓶试验评价了筛选出的PGPE菌株对冰草生长的影响。PGPE菌株会显著影响植株鲜重和干重。接种菌株2和4的植株生长显著好于对照。与对照相比，接种菌株2的植株在盐分条件下的生长明显好于对照，而接种菌株4的植株在盐分条件下生长不明显。
图3 链霉菌属菌株2和细杆菌属菌株4在对照（不加NaCl）和200 mM NaCl下对冰草生长的作用。（a）全株鲜重及（b）干重。
在阳离子和阴离子两种模式下对冰草进行CE-TOFMS分析。共鉴定出281个代谢物（图4-6）。在非盐分条件下，接种菌株2和4的植株比模拟接种植株低，而在盐分条件下，接种菌株2和4的植株高于模拟接种植株。与模拟接种植株相比，菌株2和4培养的冰草中与TCA循环有关的2-氧戊二酸、乙酰辅酶A、柠檬酸、富马酸、异柠檬酸、苹果酸、琥珀酸和顺乌头酸的含量增加。接种菌株2和菌株4的植株都表现出较高的3-磷酸甘油酸、苹果酸和7-磷酸七糖的含量，这些都是固碳的重要物质。接种菌株2的植株也表现出磷酸烯醇式丙酮酸和核糖5-磷酸含量的增加等。这些结果表明，菌株2激活了冰草中的乙醛酸途径，可能是为了获得葡萄糖作为能源。与对照相比，盐胁迫（200 mM NaCl）下生长的植株表现出ABC转运蛋白相关化合物、脯氨酸和精胺的含量增加。
图4 模拟接种冰草和接种菌株4和2的冰草的代谢物热图
图5 不同处理的冰草代谢物的PCA分析
图6 不同处理下冰草主要代谢物的热图
结果表明，两株内生菌都具有促进植物生长的作用。只有4号菌株产生IAA，而2号菌株促进植株生长，但不产生IAA或其他任何供试性状。代谢谱突出了盐胁迫下和接种PGPE后代谢物的差异。特别是，在种植了PGPE的植物中，某些代谢物的丰度增加了，例如那些与TCA循环、ABC转运蛋白和光合作用有关的代谢物（图7）。盐度也影响了冰草的新陈代谢，导致相容溶质和多胺含量的变化。相比之下，模拟接种且盐胁迫的植株中的许多物质含量在接种菌株2或4的盐胁迫植株中都表现出下降的趋势，表明这些菌株缓解了盐胁迫的影响。
图7 本研究中检测到的物质在代谢途径中的位置
参考文献：
Kataoka R, et al. Metabolomics Analyses Reveal Metabolites Affected by Plant Growth-Promoting Endophytic Bacteria in Roots of the Halophyte Mesembryanthemum crystallinum. Int J Mol Sci. 2021 Oct 30;22(21):11813.