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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

白雪, 李玉靖, 景秀清, 赵晓东, 畅莎莎, 荆韬羽, 刘晋汝, 赵鹏宇

植物生态学报 2023, 47 (3): 418-433. DOI: 10.17521/cjpe.2022.0049

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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。

功能分组 Guild		对照 Control	Cr胁迫6 h Cr stress for 6 h	Cr胁迫6 d Cr stress for 6 d
细菌 Bacterial	全局和概述 Global and overview maps	34 369 841.00 ± 4 720 050.73^a	34 518 331.33 ± 3 830 827.80^a	35 436 018.33 ± 2 851 467.46^a
	碳水化合物代谢 Carbohydrate metabolism	7 915 005.25 ± 1 088 978.09^a	7 977 677.58 ± 893 493.00^a	8 182 307.00 ± 66 8193.19^a
	氨基酸代谢 Amino acid metabolism	7 063 478.92 ± 966 823.00^a	7 092 711.17 ± 792 150.10^a	7 279 350.08 ± 586 179.57^a
	能量代谢 Energy metabolism	3 723 520.25 ± 510 073.28^a	3 742 113.67 ± 409 484.99^a	3 833 272.92 ± 303 226.45^a
	辅助因子和维生素代谢 Metabolism of cofactors and vitamins	3 596 104.96 ± 488 259.88^a	3 580 709.88 ± 393 862.62^a	3 674 852.42 ± 301 407.93^a
真菌 Fungal	未定义的腐生菌 Undefined saprotroph	11 919.33 ± 1 237.78^a	9 633.50 ± 2 636.32^a	18 537.33 ± 10 095.58^a
	动物病原体-内生菌-植物病原体-未定义腐生菌 Animal pathogen-endophyte-plant pathogen- undefined saprotroph	10 675.17 ± 1 585.46^ab	12 060.50 ± 1 946.59^a	7 946.33 ± 3 433.26^b
	动物病原体-粪便腐生菌-内生菌-附生植物- 植物腐生菌-木材腐生菌 Animal pathogen-dungsaprotroph-endophyte- epiphytelant saprotroph-wood saprotroph	7 631.33 ± 1 345.52^a	9 334.50 ± 2 107.57^a	6 545.83 ± 4 562.01^a
	植物病原体 Plant pathogen	10 021.17 ± 2 090.68^a	5 757.83 ± 1763.85^b	4 860.67 ± 2 198.03^b
	动物病原体-内生菌-地衣寄生虫-植物病原体- 土壤腐生菌-木材腐生菌 Animal pathogen-endophyte-lichen parasite-plant pathogen-soil saprotroph-wood saprotroph	1 255.17 ± 416.48^a	1 119.50 ± 217.63^a	11 740.17 ± 17 952.63^a

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表3 铬(Cr)胁迫时间序列上土壤微生物群落的功能预测分析(平均值±标准差)

正文中引用本图/表的段落

使用DESeq2软件, 通过TPM法计算获得处理间DEGs, 并筛选DEGs绘制火山图(图2)。结果表明与CK相比, Cr_6h共3 906个DEGs (2 483个上调, 1 423个下调); Cr_6d共4 382个DEGs (1 927个上调, 2 455个下调); Cr_6d与Cr_6h相比有2 090个DEGs (1 156个上调, 934个下调), 说明参与谷子抗Cr胁迫的基因大多有时间差异性。随Cr胁迫时间增长, DEGs的数量增加, 在Cr_6d达到最大值, 且上调与下调的DEGs数量分别约占总数的54%、46%, 说明Cr胁迫提高了基因表达水平。此外3个处理样品中仅8.90%基因是共享的, 说明谷子幼苗叶片中仅8.90%的基因在Cr胁迫时间序列上持续响应。

GO功能注释结果(图2E)表明DEGs在3个处理中显著富集于BP中的代谢过程、细胞过程等, CC中的细胞组分与膜组分等, MF中的结合、催化活性、转运活性等。

通过PICRUSt 2、FUNGuild功能预测分别标准化处理OTU丰度表及分类鉴定细菌和真菌群落营养类型, 通过ANOVA筛选丰度前5的细菌群落代谢通路和真菌群落营养类型。结果(表3)表明细菌群落代谢通路富集于碳水化合物代谢、氨基酸代谢、能量代谢修复等过程, 但无显著变化趋势, 可能因为细菌相关代谢通路与细胞新陈代谢相关, 是微生物赖以生存和生长的基础, 因此较为稳定。而真菌群落营养类型主要包括腐生营养型、病原-腐生营养型、病原营养型, 且部分植物病原营养型在CK到Cr_6d呈显著下降趋势。

另外, Cr胁迫抑制了叶片中光合作用相关基因的表达。根据表2, 随Cr胁迫时间增长谷子叶片中叶绿素含量显著下降, 且GO富集分析表明在CK和Cr_6d样本对中的光合作用光反应与暗反应、光系统I与光系统II等基因表达均显著下调。可能在于Cr可降解参与叶绿素生物合成的重要酶——氨基乙酰丙酸脱水酶, 降低了细胞中的叶绿素水平(Vajpayee et al., 2001), 与Cr处理小麦中叶绿素含量降低的结果(Subrahmanyam, 2008)相一致。同时Cr毒性抑制光系统中的光合成复合物、影响电子传递效率、降低光系统II (PSII)反应中心的活性并导致PSII的异质性即结构与功能多样性的变化(Mathur et al., 2016)。且GO富集分析表明3组样本对中类囊体膜、质体类囊体膜等基因表达均显著下调, 可能在于Cr(VI)毒性引起类囊体畸变, 对光合作用产生负面影响使细胞内能量转移失衡(Ali et al., 2013)。光合作用相关组分基因表达下调降低了光合作用效率, 影响了植物细胞中营养物质的吸收及转运, 最终可能抑制谷子叶片的生物量及植株生长。

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