Nature Communications: 生长素生成细菌促进大麦根鞘形成

文摘 2024-09-18 08:02 瑞士

根鞘是紧贴根系的土壤层，能够帮助植物在土壤干燥条件下耐受干旱。根鞘的形成是由根分泌物、微生物和土壤条件之间复杂的相互作用所驱动的。然而，关于这些相互作用的具体机制，尤其是在不同土壤酸碱条件下，尚未被充分了解。

在干旱或中度土壤干燥的情况下，根鞘所包裹的土壤通常比周围的土壤保持更高的湿度，这可以减少土壤收缩，并降低根表面形成空气间隙的可能性。植物通过根鞘保护根系，增加水分和养分的吸收，从而提高植物的生长表现和对环境胁迫的适应性。先前的研究表明，根鞘的形成与植物的根毛分布、侧根数量等形态特征有很大关联，且不同植物物种在干旱条件下的根鞘表现有所不同。

特别是在酸性和碱性土壤中，根鞘的形成存在显著差异。研究表明，土壤的酸碱度是影响根鞘形成的关键因素，而土壤中的微生物群落也可能在这一过程中起到重要作用。然而，关于微生物群落在不同酸碱土壤中如何影响根鞘形成，尤其是在干旱条件下的研究仍然有限。因此，文章的研究目标是探讨在不同土壤酸碱条件下，微生物群落如何通过生长素（IAA）的合成，影响大麦的根鞘形成及其耐旱性，从而为提高作物生产力提供新思路。

该文章的主要发现有以下几个方面，较为具体地解释了微生物如何促进大麦根鞘的形成：

酸性土壤促进大麦根鞘形成：研究表明，大麦在酸性土壤中的根鞘形成明显优于碱性土壤。酸性土壤中的大麦根鞘重量比碱性土壤中的增加了159%。此外，酸性土壤中的根毛长度也比碱性土壤中的根毛长18%。

微生物对根鞘形成的关键作用：通过对根鞘土壤微生物的分析，发现黄杆菌科（Flavobacteriaceae）和芽孢杆菌科（Paenibacillaceae）中的细菌在酸性土壤中显著增加，这些细菌具有合成生长素（IAA，吲哚-3-乙酸）的能力。进一步的实验表明，酸性土壤中的这些微生物可以显著促进碱性土壤中大麦的根鞘形成，表明微生物是影响根鞘形成的关键因素。

生长素的作用：通过代谢组学和转录组学分析，研究人员发现黄杆菌科和芽孢杆菌科的细菌中存在与IAA合成相关的基因。研究分离了两种IAA生成细菌菌株：Chryseobacterium culicis 和 Paenibacillus polymyxa。这两种菌株能够显著增加大麦的根鞘形成，而它们的IAA缺陷突变体无法促进根鞘形成，进一步证实了IAA在根鞘形成中的作用。

田间试验验证：在田间试验中，接种了IAA生成细菌菌株的大麦表现出更高的根鞘形成能力，且作物产量也显著增加。在两个实验地点，接种细菌后，大麦的产量增加了22.6%到34.9%，穗数增加了36.7%到42.9%。这些结果表明，微生物不仅可以通过促进根鞘形成提高作物的水分和养分吸收，还可以增加作物的产量。

IAA生成途径的遗传基础：研究还通过基因组测序发现，C. culicis 和 P. polymyxa 的IAA合成主要通过吲哚-3-丙酮酸途径（IPyA），并且构建了这些基因的突变体。突变体实验显示，失去IAA生成能力的细菌无法促进大麦根鞘的形成，进一步证明了IAA在这一过程中发挥的核心作用。

研究详细揭示了微生物，特别是能够生成IAA的细菌，在促进大麦根鞘形成中的关键作用。通过在田间验证，该研究表明这些微生物有助于提高作物产量，尤其在干旱条件下，具有潜在的农业应用前景。

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