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谷子及其根际土壤微生物群落对铬胁迫的响应机制
植物生态学报
2023, 47 (3):
418-433.
DOI: 10.17521/cjpe.2022.0049
重金属铬(Cr)污染对农田中农作物产生毒害作用并破坏土壤微生物群落稳态, 但不同农作物及其根际土壤微生物群落对Cr胁迫的响应机制均有所差异。该研究在时间序列上分析Cr胁迫对谷子(正名: 粱, Setaria italica)长势、谷子差异表达基因(DEGs)的功能途径及土壤微生物群落结构和功能等方面的影响, 阐明谷子及土壤微生物群落的响应机制, 为Cr胁迫下的谷子生长及污染土壤的生态修复治理提供理论依据。基于室内盆栽实验, 以谷子幼苗和种植谷子的土壤为实验材料, 在Cr胁迫前(CK)及胁迫后6 h和6 d (Cr_6h、Cr_6d)的时间序列上分别进行样本采集, 同时测量幼苗生理性状指标及土壤理化指标。通过转录组分析, 研究Cr胁迫时间序列上谷子幼苗基因表达及所富集的功能途径的变化趋势; 通过高通量测序分析, 研究Cr胁迫时间序列上土壤微生物群落结构、物种多样性、群落功能的动态变化过程及与土壤理化性质的相关性。结果发现: 1)转录组分析结果表明Cr胁迫诱导基因表达上调(上调DEGs 54%); Gene Ontology (GO)富集分析表明DEGs在CK和Cr_6h、Cr_6h和Cr_6d样本对中与光合作用相关的基因的表达显著下调; 在Cr_6h和Cr_6d样本对中与防御和损伤调控相关的基因的表达显著上调, 细胞壁及细胞膜和细胞分裂相关基因的表达下调。2)高通量测序结果表明Cr胁迫时间序列上土壤细菌与真菌在门、属水平组成变化显著; 细菌群落α多样性呈现出由应激到稳定的阶段性变化特征(CK、Cr_6h和Cr_6d的Shannon多样性指数分别为6.09、5.93和6.05; Simpson多样性指数分别为0.006 8、0.007 8和0.006 8; Chao多样性指数分别为2 818.49、2 630.73和2 769.38), 而真菌群落α多样性显著下降(Shannon-Wiener多样性指数分别为4.17、3.81和3.23); 细菌与真菌群落的β多样性在Cr胁迫时间序列的分布差异显著。3)土壤理化性质与微生物群落相关性分析表明土壤理化因子与多种真菌群落显著相关, 而与细菌群落的关联关系较弱。结果表明Cr胁迫在时间序列上通过降低叶绿素含量、光系统活性并影响类囊体等结构组分显著抑制了谷子幼苗的光合作用过程, 通过下调细胞壁及微管相关组分基因表达抑制叶片细胞的增殖分化过程, 但同时激活了植物防御系统以降低自身所受的毒害作用。同时土壤细菌与真菌群落通过群落组成结构及多样性的变化来适应Cr胁迫, 二者在胁迫时间序列上的响应程度和策略均有所不同。  View image in article
图3
铬(Cr)胁迫下谷子叶片中差异表达基因(DEGs)的Gene Ontology (GO)富集分析。down, 下调; up, 上调。CK, 对照; Cr_6d, Cr胁迫6 d ; Cr_6h, Cr胁迫6 h。9-cis-epoxycarotenoid dioxygenase activity, 9-顺式-环氧类胡萝卜素双加氧酶活性; Alcohol group as acceptor, 醇基作为受体; Amylase activity, 淀粉酶活性; Amylopectin maltohydrolase activity, 支链淀粉麦芽糖水解酶活性; Anchored component of membrance, 膜的锚定成分; Anchored component of plasma membrane, 质膜的锚定成分; Apoplast, 质外体; Beta-amylase activity, β-淀粉酶活性; Catalytic activity, 催化活性; Cell redox homeostasis, 细胞氧化还原稳态; Cell wall organization or biogenesis, 细胞壁组织或生物发生; Cellular aromatic compound metabolic, 细胞芳香族化合物代谢; Chlorophy II binding, 叶绿素II结合; Chloroplast envelope, 叶绿体包膜; Chloroplast thylakoid membrance, 叶绿体类囊体膜; Cloroplast organization, 叶绿体组织; Containing compound metabolic process, 含复合代谢过程; Containing compound metabolic process, 含化合物代谢过程; Disulfide oxidoreductase activity, 二硫键氧化还原酶活性; DNA replication initiation, DNA复制起始; DNA replication, DNA复制; DNA-binding transcription factor activity, DNA结合转录因子活性; Electron transport chain, 电子传递链; Exoribonuclease complex, 外核糖核酸酶复合物; Exosome (RNase complex), 外泌体(核糖核酸酶复合物); Hetercycle metabolic process, 杂环代谢过程; Hydrogen peroxide catabolic process, 过氧化氢分解代谢过程; Hydrogen peroxide metabolic process, 过氧化氢代谢过程; Isoprenoid catabolic process, 类异戊二烯分解代谢过程; Jasmonic acid mediated signaling pathway, 茉莉酸介导的信号通路; Kinase activity, 激酶活性; Kinesin complex, 驱动蛋白复合物; Light harvesting in photosystem I, 光系统I光捕获; Magnesium-dependent protein serine, 镁依赖性蛋白丝氨酸; MCM complex, MCM复合物; Microtubule associated complex, 微管相关复合物; Microtubule, 微管; Microtubule-based movement, 基于微管的运动; Mitochondrial RNA metabolic process, 线粒体RNA代谢过程; Mitochondrial RNA modification, 线粒体RNA修饰; Movement of cell or subcellular component, 细胞或亚细胞成分的运动; mRNA modification, mRNA修饰; ncRNA metabolic processing, ncRNA代谢过程; ncRNA processing, ncRNA加工; Nuclear exosome (RNase complex), 核外泌体(核糖核酸酶复合体); Nucleolus, 核仁; Oxidoreductase activity acting on a sulfur group, 作用于硫的氧化还原酶活性; Oxidoreductase activity, 氧化还原酶活性; Phosphatase activity, 磷酸酶活性; Phosphoric ester hydrolase activity, 磷酸酯水解酶活性; Phosphorus metabolism process, 磷代谢过程; Phosphprylation, 磷酸化; Photosynthesis dark reaction, 光合作用暗反应; Photosynthesis light harvesting, 光合作用光捕获; Photosynthesis light reaction, 光合作用光反应; Photosynthesis, 光合作用; Photosynthetic membrane, 光合膜; Photosystem I, 光系统I; Photosystem II oxygen evolving complex, 光系统II氧演替复合物; Photosystem, 光系统; Photosythetic electron transport chain, 光合电子传递链; Plastic organization, 塑料组织; Plastid envelope, 质体包膜; Plastid processing, 质体加工; Plastid thylakoid membrance, 质体类囊体膜; Polymeric cytoskeletal fiber, 聚合细胞骨架纤维; Pre-replicative complex assembly in cell, 细胞内复制前复合物组装; Pre-replicative complex assembly, 复制前复合物组装; Preribosome, nucleolus, 前核糖体; Protein disulfide oxidoreductase activity, 蛋白质二硫键氧化还原酶活性; Protein kinase activity, 蛋白激酶活性; Protein serine/threonine kinase activity, 蛋白丝氨酸/苏氨酸激酶活性; Protein-chromophore linkage, 蛋白质-发色团键; Protein-chromophore linkage, 蛋白质-发色团连接; Reactive oxygen species metabolic process, 活性氧代谢过程; Reductive pentose-phosphate cycle, 还原性戊糖-磷酸循环; Regulation of defense response, 防御反应的调节; Response to abiotic stimulus, 对非生物刺激的反应; Response to heat, 对热的反应; Response to radiation, 对刺激的反应; Response to wounding, 对创伤的反应; RNA modification, RNA修饰; RNA processing, RNA加工; RNA surveillance, RNA监测; rRNA metabolic processing, rRNA代谢加工; rRNA modification, rRNA修饰; rRNA processing, rRNA加工; Sesquiterpenoid biosynthetic process, 倍半萜类生物合成过程; Sesquiterpenoid metabolic process, 倍半萜类代谢过程; SnoRNA 3?-end processing, snoRNA 3?端加工; snoRNA processing, snoRNA加工; snRNA metabolic process, snRNA代谢过程; Supramolecular fiber, 超分子纤维; Supramolecular polymer, 超分子聚合物; Thylakoid membrane, 类囊体膜; Transcription regulator activity, 转录调节活性; Transferase activity, 转移酶活性; U4 snRNA 3?-end processing, U4 snRNA 3?端加工; UDP-glycosyltransferase activity, UDP-糖基转移酶活性。pa, 矫正的p值。
正文中引用本图/表的段落
GO富集分析(图3)中上调的DEGs在CK和Cr_6h样本对中显著富集于MCM复合体、复制前复合体组装等; CK和Cr_6d样本对中显著富集于茉莉酸介导的信号通路、P及含P化合物代谢过程、对损伤和防御反应的调控等; Cr_6h和Cr_6d样本对中显著富集于RNA酶复合体、细胞芳香化合物代谢过程等。而下调的DEGs在CK和Cr_6h样本对中显著富集于光合作用光反应过程、细胞氧化还原稳定态、对非生物刺激的反应等; CK和Cr_6d样本对中显著富集于微管运动、细胞壁组织或生物发生等; Cr_6h和Cr_ 6d样本对中显著富集于光合作用光反应与暗反应、光系统II的电子传递等。由此Cr胁迫显著降低谷子叶片中的光合作用相关基因的表达。
本文的其它图/表
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