Rhizosphere bacteria help to compensate for pesticide-induced stress in plants
DOI: 10.1021/acs.est.4c04196
摘要
尽管外源化学物质在调节植物生长方面经常表现出双相反应，(低剂量刺激和高剂量抑制)，但其潜在机制仍然难以捉摸。这项研究首次证明了根际微生物群在帮助植物抵御农药胁迫方面的补偿功能。据观察，小白菜植物在低剂量和高剂量叶面喷洒吡虫啉后，均可增加根际细菌总数并富集大量有益细菌。这些细菌具有促进植物生长和降解农药的能力，例如诺卡氏菌、短波单胞菌和鞘氨醇单胞菌。受胁迫的植物通过增加根部分泌物中初级代谢物（如氨基酸、脂肪酸和溶血磷脂酰胆碱）的释放来招募有益细菌群落。在低剂量施用农药时，微生物补偿效应克服了农药胁迫，从而促进植物生长。然而，高剂量施用农药时，微生物补偿效应不足以抵消农药胁迫，导致植物生长受到抑制。这些发现为设计改进的农药施用策略铺平了道路，并有助于更好地了解如何利用根际微生物群作为一种生态友好的方法来减轻化学物质引起的作物胁迫。
土壤系统有利于植物抵抗叶面喷洒的IMI
在土壤和水培系统中评估了叶面喷洒 IMI 对植物生长的影响。经过20天的培养期，所有植物都显得健康，并且土壤和水培系统中对照组之间植物叶片中的叶绿素含量没有显着差异。在土壤系统中，与对照组相比，10 mg/L 和 20 mg/L IMI 组的植物生物量显着增加，分别约为 1.22 倍和 1.26 倍（1b）。相反，在水培系统中，与对照组相比，施用 IMI 后的植物生物量没有表现出显着差异。这表明土壤条件对于低剂量 IMI 刺激植物生长至关重要。在 100 mg/L IMI 下，与对照组相比，水培和土壤生长的植物均表现出生长下降，表明 IMI 对植物生长的胁迫。有趣的是，IMI对土生植物的抑制作用不如水培植物明显，生物量分别是对照组的0.89和0.70倍。这表明，与水培系统相比，土壤系统可以增强植物对高剂量农药胁迫的抵抗力。此外，与水培系统相比，土壤系统可以增强蔬菜芽中的 IMI 降解，同等 IMI 处理的残留水平降低至 0.58−0.68 倍（图 1d）。在栽培过程中，在蔬菜根部和根际土壤中未检测到 IMI 及其降解产物 5-羟基 IMI 和烯烃 IMI 残留，这可能消除叶面喷洒 IMI 对根际的直接刺激（图 1e）。这些观察结果表明，蔬菜芽的剂量依赖性 IMI 胁迫与土壤环境之间存在潜在联系，从而影响植物生长和抗性。土壤栽培植物和水培植物之间的区别主要在于根际环境。与水培系统相比，土壤系统的根际富含多种微生物群落。根际微生物组通常被称为植物的“第二基因组”，在维持植物健康中发挥着至关重要的作用。因此，我们假设根际微生物在调节植物对农药胁迫的适应性中发挥着至关重要的作用。
图1
叶面喷施 IMI 重塑植物根际细菌群落
随后，我们利用 16S rRNA 扩增子测序研究了叶面喷洒 IMI 对根际土壤细菌数量和群落的影响（图 2a）。与对照组相比，10 mg/L（低剂量）和100 mg/L（高剂量）IMI组细菌基因拷贝数分别增加1.41和1.49倍（图 2b)。根际土壤样品中共鉴定出1,698,648个细菌序列，其中细菌ASV序列3117个，常见属364个。PCoA 表明叶面喷施 IMI 可以影响根际细菌群落的组成（图 2c）。应用 IMI 后，与对照组相比，Sobs 和 Chao1 指数均显示出显着更高的细菌多样性，并且共现网络分析揭示了更高的连通性和复杂性。在平均相对丰度 > 0.1% 的 76 个常见属中，与对照组相比，IMI 处理组中有 36 个表现出显着变化。低剂量IMI组有20个属显着增加，5个属显着减少，而高剂量IMI组有23个属显着增加，8个属显着减少（图2d）。此外，15个属在低剂量和高剂量施用IMI后一致表现出增加，例如诺卡氏菌属、黄杆菌属、肠杆菌属、鞘氨醇单胞菌属和短波单胞菌属（图3e-f）。
尽管一些研究指出受污染土壤中的农药对土壤微生物有负面或严重影响，但我们的研究结果表明，叶面喷洒IMI胁迫下的蔬菜可以增加根际细菌数量和群落。主要原因是我们的实验没有在土壤中沉积农药残留，并且排除了农药对根际微生物可能的直接影响。在喷叶 IMI 胁迫下，许多原生细菌在根际显着富集，并且据报道有几个属具有对植物有益的功能。例如，鞘氨醇单胞菌属和短波单胞菌属的细菌具有降解IMI的潜在功能。这些细菌具有在植物中定殖的能力，促进植物组织中IMI的降解。其他有益细菌，如诺卡氏菌、黄杆菌属和白杆菌属，在土壤养分方面发挥着作用这些结果表明，蔬菜植物在应对非生物IMI胁迫时可以特异性地招募大量有益细菌，这些细菌在调节植物生长和抗逆性方面发挥着潜在的作用。
图2
图3
改变根际细菌群落可增加植物生长和抵抗力
为了研究IMI诱导的根际细菌群落对植物生长的影响，将小白菜幼苗重新种植在低剂量和高剂量 IMI 组和对照组收集的土壤中，以及低剂量 IMI 组的无菌土壤中。两周后，与对照组相比，IMI组在土壤中培养的植物生长显着加快，芽重和根重分别增加了1.19−1.25和1.58−1.86倍（图3a-b)。相反，IMI 组在无菌土壤中生长的植物显示出生长显着下降，生物量重量下降了其他三组的 0.52−0.69 倍（图 3a−b）。IMI 组的植物芽中叶绿素和总蛋白含量提高，分别比对照土壤高约 10% 和 20%（ 3c−d）。IMI组根际土壤脱氢酶、脲酶、过氧化物酶、速效钾和速效磷水平也有类似的增加趋势，与对照组相比增加了1.09~1.51倍（图 3e−g)。
在对照、IMI 处理和灭菌土壤组的土壤中生长的小白菜植物均用 10 mg/L 的 IMI 溶液进行叶面喷洒。10 天后，与对照和灭菌土壤组相比，IMI 组土壤中种植的小白菜芽中 IMI 浓度降低约 20%（图 3h）。此外，在IMI处理的土壤中种植的植物表现出细胞色素P450（解毒酶）和抗氧化酶（过氧化物酶和超氧化物歧化酶）的活性增强，与对照组相比显着增加了1.08−1.31倍（图 3i−k)。
收集 IMI 组和对照组根际土壤中的微生物群，以测试它们对 IMI 体外降解的影响。培养5天后，IMI处理组的根际微生物可增强培养基中IMI的降解，IMI浓度下降为对照组的0.78~0.83倍（图3）。
新的研究表明，农药可能会引起植物氧化应激，并改变根际微生物群的组成。然而，这些微生物变化对植物生长和健康的反馈仍不清楚。我们的研究表明，叶面喷施 IMI 后根际细菌群落的改变不仅可以通过降解植物组织内的农药来有效缓解胁迫，而且还表现出促进生长的能力，增强植物的抗性。这些有益效果可以被视为微生物补偿。我们的发现符合植物从土壤池中招募特定微生物来对抗病原体或昆虫引起的生物胁迫的策略。有趣的是，低剂量和高剂量 IMI 诱导的细菌群落对植物的影响没有表现出显着差异。生长、酶活性和 IMI 降解。这表明 IMI 可以充当开关，激活根际微生物的补偿效应，以抵消农药引起的植物胁迫。这些发现有助于加深对利用根际微生物群作为减轻农药引起的作物胁迫的生态友好策略的理解。
叶面喷施 IMI 改变植物根系分泌物的代谢特征
采用代谢组学研究叶面喷施 IMI 对释放植物根系分泌物。PCA 分析表明，叶面喷施 IMI 可以改变植物根系分泌物的代谢特征（图 4a）。与对照组相比，IMI 组中共有 160 种根分泌物代谢物显示出显着变化，其中 101 种在低剂量和高剂量下显示出一致增加，24 种显示出一致减少（图 4b)。在这些代谢物中，增加的主要是初级代谢物，如氨基酸、有机酸、脂肪酸、溶血磷脂酰胆碱和磷酸糖，尽管它们的水平取决于IMI剂量（图 4c)。激素，包括茉莉酸、水杨酸、玉米素核苷和吲哚-3-甲醛，在应用 IMI 后表现出显着增加。与对照组相比，低剂量 IMI 组还显示出较高水平的多种酚酸和类黄酮（图 4c）。与对照组相比，硫代糖苷类药物，如新葡糖甘蓝素、葡甘露糖苷和 4-甲氧基葡糖甘蓝素，在低剂量 IMI 组中表现出水平降低，而在高剂量 IMI 组中表现出水平升高（图 4c)。
我们的研究表明，蔬菜应对 IMI 胁迫可以增强根系分泌物中各种初级代谢物的释放。IMI对植物根系分泌物的影响与病原菌入侵相似，但与营养缺乏胁迫显着不同，后者仅导致香豆素和酚类物质增加。需要注意的是，根系分泌物主要由光合产物组成，从根部分泌到根际。这表明在农药胁迫下，植物可能会向根际释放更多的光合产物作为适应性反应。IMI施用后上述根系分泌物代谢物的变化以多种方式对根部环境产生调节作用。例如，氨基酸和小分子有机酸已被证明可以影响土壤质地、养分循环。硫代葡萄糖苷和酚酸都可以抑制病原微生物的生长和繁殖。我们的研究结果强调了农药对根系分泌物变化的潜在影响，有助于更好地了解它们对根际植物相互作用的影响。
根分泌物可以驱动根际细菌群落和功能的变化
根分泌物可以驱动根际细菌群落和功能的变化。上述结果表明，施用IMI后，植物根际土壤中未检测到IMI及其降解产物的残留，从而消除了IMI对根际微生物的直接影响。我们假设植物响应 IMI 胁迫可以通过改变根系分泌物来重塑根际微生物群落。为了验证这一假设，我们研究了改变的根分泌物与根际之间的关系。一般遵循 IMI 应用程序。总共确定了 1098 个显着相关性，其中包括 678 个正相关和 420 个负相关（图 4d）。在这些相关性中，溶血磷脂酰胆碱、有机酸、氨基酸、碳水化合物和激素的代谢物与属的显着相关性数量最多，每个代谢物类别平均有 8.4−12.3 个相关性。Nocardioides、Pelagibius、Flavisolibacter、Algoriphagus、Iamia、Sphingomonas 和 Thermomonas 显示与根分泌物代谢物显着相关性的数量最多，平均每个属有 33−48 个相关性。此外，我们观察到不同类型的根分泌物代谢物似乎调节不同的属。芳香族氨基酸（酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸）和酚酸（二氢阿魏酸、3-羟基苯甲酸和4-甲氧基肉桂酸）与黄杆菌呈显着正相关（Spearman等级相关，P < 0.05）。低分子量有机酸（乌头酸、琥珀酸、丙酸和苹果酸）、18碳脂肪酸相关脂质（磷脂酰甘油、溶血磷脂酰胆碱和溶血磷脂酰乙醇胺）和糖磷酸酯（6-磷酸甘露糖和葡萄糖- 6-磷酸盐）与诺卡氏菌和盖氏菌呈显着正相关。黄酮类异佛西啶与嗜热单胞菌呈正相关，与诺卡氏菌呈负相关。
使用 KEGG 数据库进行的 PICRUSt2 分析表明，与对照组相比，低剂量和高剂量的 IMI 组中与氨基酸、碳水化合物和脂质代谢相关的预测细菌功能均显着增加。这些细菌功能与根分泌物中相应的代谢物类别呈显着正相关。与对照组相比，IMI 处理组与环境信息相关的功能，如膜运输、信号转导和环境适应也显示出显着增加。
结果表明，小白菜植物在应对 IMI 胁迫时可以通过改变根系分泌物来改变根际细菌群落和功能。一般来说，根分泌物代谢物可以通过影响根际微生物的生长生态位、运动和生物膜形成来调节微生物群落。IMI胁迫下根分泌物代谢物与根际属之间的这些正相关和负相关可能代表了吸引和排斥的关系，分别。需要进一步验证才能最终确认这些关联。我们的研究结果有助于更好地了解农药胁迫条件下的根际环境动态。
图4
IMI 以剂量依赖的方式扰乱植物生理代谢
以往的研究主要关注农药种类对作物生理代谢的影响，忽视了农药用量的影响。我们测定了叶面喷施不同剂量的IMI对小白菜芽生理代谢的影响。植物芽中MDA（脂质过氧化指数）的含量以及过氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性随着IMI剂量的增加而显着增加（图5a），表明IMI可以对小白菜植物引发剂量依赖性氧化应激。此外，与对照组相比，高剂量 IMI 显着导致蛋白质和叶绿素含量分别显着降低 11.2% 和 15.4%（图 5b）。
基于 LC-QTOF/MS 的代谢组学表明，IMI 可以破坏小白菜芽的代谢特征（图 5c）。与对照组相比，低剂量IMI组和高剂量IMI组分别有85种和66种代谢物显着增加，28种和46种代谢物显着减少（图 5d )。在这些代谢物中，许多非结构碳水化合物（麦芽三糖、棉子糖、松三糖等）、支链和芳香氨基酸（赖氨酸、色氨酸）。和酪氨酸等），以及低剂量和高剂量施用IMI后积累的小分子有机酸（莽草酸、乌头酸、柠檬酸等）（图 5e)。此外，低剂量IMI还促进磷脂和类黄酮（maritimetin-6-）的积累。O-葡萄糖苷、异鼠李素-3-O-葡萄糖苷、山奈酚-3-O-葡萄糖苷等），而高剂量IMI则降低了植物芽中几种黄酮类化合物的含量（图 5e)。
结果表明，IMI 可以在小白菜植物中引发剂量依赖性氧化应激，并显着改变其代谢特征。低剂量和高剂量IMI胁迫下植物芽中碳水化合物和氨基酸的积累可以作为逆境适应的能量来源或渗透调节物质。此外，低剂量IMI增加了抗性相关的磷脂和黄酮类化合物，可以维持膜的完整性和抗逆性。高剂量的 IMI 可能会对植物造成严重的氧化损伤，扰乱植物的光合作用以及蛋白质和黄酮类化合物的合成，可能影响植物的发育和抗性。我们的研究结果阐明了农药剂量与植物代谢之间的关系，为指导农业中农药的最佳使用提供了宝贵的见解。
图5
根际互作生物学研究室 简介
根际互作生物学研究室是沈其荣院士土壤微生物与有机肥团队下的一个关注于根际互作的研究小组。本小组由袁军教授带领，主要关注：1.植物和微生物互作在抗病过程中的作用；2 环境微生物大数据整合研究；3 环境代谢组及其与微生物过程研究体系开发和应用。团队在过去三年中在 Nature Communications，ISME J，Microbiome，SCLS，New Phytologist，iMeta，Fundamental Research， PCE，SBB，JAFC（封面），Horticulture Research，SEL（封面），BMC plant biology等期刊上发表了多篇文章。欢迎关注 微生信生物 公众号对本研究小组进行了解。
撰写：刘潇予
修改：文涛
排版：刘炜烨
审核：袁军 团队工作及其成果 （点击查看）
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小组负责人邮箱 袁军：junyuan@njau.edu.cn；
小组成员文涛：taowen@njau.edu.cn等
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