8分文章阐释施用矿物质提高脐橙品质的机制|微生物专题
期刊：Science of the Total Environment
影响因子：7.963
发表时间：2021.3
研究方法：16S rRNA基因测序
背景介绍：
提到赣南脐橙大家肯定都不陌生，它不仅味道甜美而且还具有丰富的营养价值。
然而近几年随着果园土壤质量的不断下降，导致黄龙病（HLB）的爆发不仅影响了赣南脐橙的品质而且对其产量也有很大的影响。黄龙病的发生会抑制光合作用代谢物的运输进而影响赣南脐橙的生长。
目前传统的黄龙病防治方法有化学农药、杂交技术和转基因技术，但是这些技术不仅价格昂贵周期长而且还会对环境造成污染，所以人们迫切需要找到一种济环保又实用的防治方法。
本文研究了2016-2018年常量和微量元素联合施用对赣南脐橙产量、HLB发病率及叶际和根际细菌微生物群落的影响，旨在能开发一种降低HLB发病率、提高柑橘产量的环保方法。
实验设计
营养元素施肥和16SrRNA基因测序结合探究：
（1）常量和微量元素联合施用对赣南脐橙的产量和叶片养分浓度的影响；
（2）常量和微量元素联合施用对黄龙病发生率影响；
（3）与黄龙病相关的赣南脐橙叶际和根际微生物结构组成和功能影响。
主要结果
1. 各处理赣南脐橙的产量、黄龙病发生率以及营养状况
2016年-2018期间，与对照组（T1）相比，常量营养素和微量营养素了联合施用处理（T2-T5）均有助于提高赣南脐橙的产量，同时，黄龙病的发生也有明显的降低。
此外，通过对各处理的叶片和根际土壤的常量和微量营养元素的测定发现常量营养素和微量营养素了联合施用处理在一定程度上可以提高叶片和土壤的养分水平。
图1 2016-2019年各处理赣南脐橙产量情况
2. Ca. Liberibacter. Asiaticus（Clas）的检测
基于文献报道，对T1对照组和T2处理组采用引物OI1/OIC2 (OI1:GCGCGTATCCAATACGAGCGGCA;OIC2:GCCTCGCGACTTCGCAACCCAT)通过PCR扩增对引起黄龙病的Clas病原菌的16SrRNA基因进行了检测，发现对照组T1和阳性对照组中检测到长1160 bp的目的条带，而T2和阴性对照组中未检测到目的条带（或是由于浓度太低无法检测到）。
叶际和根际微生物群落变化联合施用处理对赣南脐橙叶际和根际微生物群落组成的影响，对T1和T2组的叶片样本和土壤样本进行16SrRNA基因测序，结果显示，无论是observed_species（实际观测到的物种数量）和shannon指数（用来描述种的个体出现的紊乱和不确定性，不确定性越高，多样性也就越高，该指数能够描述两方面的信息①种类丰富度；②种类中个体分配上的均匀性（evenness）。）都高于对照组T1，且叶际和根际微生物具有同样的变化趋势（见图2）。
图2 T1和T2组的叶际和根际菌群组成分析
从门水平物种的UPGMA结果中可知，Proteobacteria（变形菌门）为叶际的优势物种，占比达到了80%以上（见图3A）。Proteobacteria（变形菌门）和Acidobacteria（酸菌门）为根际的优势物种，在T1和T2中分别达到了28.28%和14.7%（图3B）。
另外，UPGMA样本聚类情况和基于加权距离（Weighted Unifrac distance，同时考虑物种组成和物种丰度，相反非加权（Unweighted Unifrac distance则仅考虑物种组成不考虑物种丰度））的PCoA分析结果（见图3C和3D）都显示各组重复性高，组间差异大。
图3 叶际和根际门水平物种组成和PCoA分析
3. 叶际和根际具有差异的细菌群落
为了筛选出叶际和根际中T1和T2组具有显著性差异的物种，对两组间7个分类水平的物种进行LEfSe分析，筛选LDA值大于3.5的物种作为差异物种。从结果可以看到，在叶际微生物中，共筛选到29个微生物，其中Gammaproteobacteria对T1组影响程度最大，Alphaproteobacteria对T2组的影响程度最大（见图4A和4B）。
而在根际微生物中，共筛选到35个差异物种，其中Verrucomicrobiae对T2组的影响程度最大，Chujaibacter对T1组影响程度最大见图4C和4D）。此外，更多差异的根际微生物在T2中有显著的富集，说明T2处理组有更多的机会招募有益菌，例如一些可以产生植物激素的生物防治细菌或固氮细菌等。
图4 叶际和根际微生物两组间LEfSe分析
4. 根际和叶际微生物群落在功能上的不同
从前面的结果可知，常量和微营养素的使用对根际土壤微生物的多样性和群落组成都有一定的影响，同时这可能也会对微生物功能和HLB发生率有一定的影响。从PICRUST功能预测分析结果的KEGG level3的分析结果可知，与对照组T1相对，T2处理组中与膜转运、遗传信息处理、能量代谢、氨基酸生物合成和代谢以及其他有机物代谢和降解相关的功能信息相对丰度更高。
而在T1组中，与细胞运动、膜转运、信号转导、碳水化合物代谢、糖聚糖的生物合成和代谢相关的功能信息相对丰度更高。同时，叶际微生物的功能预测结果显示大部分的功能信息都在对照组T1中相对丰度更高，这可能是因为大部分的植物微生物主要是来自于土壤。
图5 根际土壤土壤微生物 PICRUSt功能预测结果
（A：level3; B:T1-level1; C:T2-level2）
5. 叶际/根际关键微生物与叶片养分浓度的关系
作者通过对根/叶际关键微生物与叶片养分浓度之间进行皮尔逊相关性分析（见图6A），结果显示大部分的根际和叶际微生物都与Fe、Mg、Mn、Se具有相关性，其中Acidibacter与B也有相关性。在根际和叶际微生物的共线性网络分析中，根际微生物网络的平均度、模块性和土密度指数都更低，说明根际微生物群落更加复杂。
根据网络中心性得分筛选出了叶际OTU10（1174.901.12）和OTU65（单杆菌）以及根际的OTU499、OTU84（酸杆菌）、OTU2（酸杆菌）、OTU61（颗粒杆菌）、OTU40（芽孢杆菌）是共现网络的关键分类单元。
图6 叶际和根际微生物与叶片营养浓度相关性以及共线性网络分析
重要结论
本研究发现常量和微量元素联合施用不仅可以提供赣南脐橙的产量，而且还能降低黄龙病的发生率，同时这种处理还改变了叶际和根际微生物多样性和群落结构，促进了有益微生物的富集和与黄龙病发生有关的膜转运、光合产物和有机大分子的代谢过程。
综上所述，常量和微量元素联合施用尤其是Ca、Mg、B的摄入有助于植物的健康生长和提高其对病原菌的抗逆性，促进其产量和品质的提升。
参考文献：Fu, S., Hartung, J., Zhou, C., Su, H., Tan, J., Li, Z., 2015. Ultrastructural changes and putative phage particles observed in sweet orange leaves infected with ‘Candidatus Liberibacter asiaticus’. Plant Dis. 99 (3), 320-324.https://doi.org/10.1094/PDIS-01-14-0106-RE.
相关阅读
所见即所得，绘图高规格联川云平台，让科研更自由