莠去津对水稻根际土壤微生物菌群结构及降解基因丰度的影响（二）
2结果与分析
2.1莠去津对水稻根际土壤微生物多样性的影响
对莠去津胁迫下水稻根际土壤的微生物多样性进行分析，α多样性结果如表1所示。各处理样本覆盖度均在98%以上，能较好地覆盖样本微生物群落的多数物种。另外，莠去津胁迫显著降低了Sobs指数、Chao指数和Simpson指数，但对Shannon指数无显著影响，表明莠去津胁迫可降低水稻根际土壤中细菌的丰富度和多样性。
表1不同处理土壤中细菌α多样性指标
为了分析莠去津对根际土壤细菌群落β多样性的影响，在属水平上进行了主坐标分析(PCoA)。结果表明：第一组分(PC1)和第二组分(PC2)的方差贡献率分别为64.31%和17.7%，累计贡献率为82.01%(图1A)。另外，莠去津处理组样品点和对照组样品点在二维平面上能完全分开，说明莠去津可影响土壤细菌的群落结构。进一步筛选得到不同处理下存在显著差异的优势菌属，结果如图1B所示：莠去津处理显著降低了戴沃斯菌属(Devosia)、氢孢菌属(Hydrogenispora)、代尔夫特菌属(Delftia)的相对丰度，而噬氢菌属(Hydrogenophaga)、瘤胃梭菌属(Ruminiclostridium)、鞘氨醇杆菌属(Sphingobacterium)、假单胞菌属(Pseudomonas)、金黄杆菌属(Chryseobacterium)、芽孢杆菌属(Bacillus)和窄食单胞菌属(Stenotrophomonas)的相对丰度则显著增加。
图1不同处理下水稻根际细菌在属水平上的主坐标分析(PCoA)(A)和组间差异明显的优势菌属(B)
2.2根际土壤中莠去津降解基因丰度的变化特征
土壤中莠去津降解基因(TrzN、AtzB、AtzC、AtzD、AtzE)丰度检测结果如图2所示，莠去津对不同降解基因丰度的影响存在差异。首先，相较于对照组，参与水解反应的基因TrzN、AtzB、AtzC在莠去津处理的根际土壤中丰度更高，其中TrzN基因的丰度为对照组的46倍，而基因AtzD和AtzE在不同处理之间无显著差异。以上结果表明，莠去津处理会改变土壤中降解基因的丰度，影响根际土壤中降解功能菌菌群。
图2莠去津处理对根际土壤中莠去津降解基因丰度的影响
2.3菌株AT2对莠去津胁迫下水稻生长的影响
通过分离筛选纯化，获得8株对莠去津具有降解功能的菌株，分别命名为AT1～AT8，对莠去津的体外降解率在40.8%～88.9%之间(表2)。根据16S rRNA基因序列同源性比对，发现8株菌株分别隶属于假单胞菌属(Pseudomonassp.)、芽孢杆菌属(Bacillussp.)、类芽孢杆菌属(Paenibacillussp.)、金黄杆菌属(Chryseobacteriumsp.)和肠杆菌属(Enterobactersp.)。以其中降解能力最强的Pseudomonassp.AT2为目标菌株，通过对水稻株高、根长、干重、叶绿素和MDA含量进行测定，评估了接菌和未接菌水稻耐受莠去津胁迫的能力。结果如表3所示：在莠去津胁迫下，水稻生长明显受到了抑制，叶绿素含量下降，同时伴随着MDA含量增加，说明氧化胁迫增强。接种降解菌株AT2后，水稻中MDA含量与单独莠去津处理组相比显著下降，表明菌株AT2可缓解莠去津对水稻的氧化胁迫损伤。另外，在莠去津胁迫下，接菌处理组水稻的株高、根长、干重和叶绿素含量相较于未接菌组分别增加了34.6%、27.6%、28.6%和76.3%，进一步证明降解菌AT2对莠去津胁迫具有缓解作用。
表2 8株莠去津降解菌的筛选鉴定
表3莠去津胁迫下菌株Pseudomonas sp.AT2对水稻生长的影响
2.4菌株AT2对水稻和土壤中莠去津降解的影响
为明确降解菌AT2对土壤-水稻系统中莠去津降解的影响，测定了接菌和未接菌处理下水稻及土壤中莠去津的含量。结果显示：接菌组水稻地上组织和根中莠去津的含量分别比未接菌组水稻低57.5%和47.1%，且茎叶中含量明显高于根中含量；土壤中莠去津含量变化趋势与水稻相似，接菌组土壤中莠去津含量显著低于未接菌组，其含量仅为未接菌组土壤的85.1%(图3)。研究表明，降解菌AT2可显著促进土壤-水稻系统中莠去津的降解。为进一步评估AT2对水稻吸收和运输莠去津能力的影响，分析了莠去津的富集系数(BCF)和转运系数(TF)。由表4中结果可知，接种AT2后根和叶的富集系数均显著下降，同时转运系数也从3.34下降至2.68，表明接种菌株AT2减少了莠去津向水稻地上部分的转运。
图3接种Pseudomonas sp.AT2菌株对水稻和土壤中莠去津含量的影响
2.5菌株AT2对水稻中莠去津降解基因的影响
农药在植物中的代谢主要通过三相代谢完成。为评估AT2对水稻中莠去津降解基因表达的影响，从已报道的莠去津降解基因中选择6个参与I相和II相代谢的关键基因，测定了不同处理下降解基因的表达量。结果如图4所示：在无莠去津胁迫情况下，接菌组水稻和未接菌对照组水稻中降解基因的表达量无显著差异；莠去津胁迫下，水稻的防御系统被激活，莠去津降解基因的表达量显著增加，其中P450基因的表达量是无莠去津胁迫对照组的10.7倍。另外，莠去津胁迫下，接菌组水稻中莠去津降解基因的表达量明显高于未接菌组水稻，与未接菌组相比，接菌组水稻中编码漆酶、甲基转移酶、糖基转移酶、P450、谷胱甘肽S-转移酶和硫氧还蛋白的基因表达量分别提高了1.5、1.3、2.7、1.7、2.5和1.3倍。研究表明，接种降解菌AT2激活了水稻中莠去津的降解基因，从而可促进水稻中莠去津的降解代谢。
图4不同处理下水稻中莠去津降解基因的表达量
3讨论与结论
根际微生物是植物根际微域的重要组成部分，是衡量根际活力和质量的重要指标之一。农药一方面可被植物直接吸收或残留在土壤中，对植物根际微生物造成直接影响，另一方面还可通过改变植物的根系分泌物，从而间接影响根际微生物的结构。本研究发现，莠去津处理下，Sobs、Chao和Simpson指数均显著下降，可能是莠去津进入土壤后抑制了根际微生物的活性，从而降低了水稻根际微生物的多样性指数和丰富度指数。已有研究表明，当有机污染物进入土壤后，土壤中部分微生物能以有机污染物为碳源进行生长，并导致该部分微生物丰度增加。在本研究的细菌丰度分析中，发现莠去津处理显著增加了水稻根际土壤中鞘氨醇杆菌属、假单胞菌属、金黄杆菌属及芽孢杆菌属的丰度，而这些菌属均与有机污染物的降解密切相关。另外，在水稻根际土壤莠去津降解基因丰度变化的研究中，发现参与水解反应的降解基因TrzN、AtzB和AtzC的丰度受莠去津胁迫影响而显著增加，推测可能在莠去津处理下，部分具有特定功能的菌株(如降解菌)丰度增加并协同植物促进对莠去津的降解，从而发挥抵御药剂胁迫的作用。
目前已有研究表明，降解菌可有效缓解莠去津对后茬敏感作物的药害。本研究在莠去津污染的根际土壤中分离筛选获得8株莠去津降解菌，其中Pseudomonassp.AT2的降解能力最强。将菌株AT2接种于水稻根际，可有效缓解莠去津对水稻生长的抑制，接菌组水稻株高、根长、干重和叶绿素含量均显著增加。MDA作为细胞膜脂质过氧化的产物，常用于评价植物的氧化胁迫程度。本研究发现，莠去津胁迫下，根际接种菌株AT2后，水稻体内MDA含量显著下降，这可能是由于接种AT2增强了水稻对活性氧的清除能力，从而减轻莠去津对水稻的氧化胁迫损伤。
在农药降解研究领域，目前已明确根际微生物可以联合植物在农药降解过程中发挥功效。Rani等研究发现，向日葵接种根际细菌菌株Paenibacillussp.ITISM08、Bacillussp.PRB77和Bacillussp.PRB101后，植物体内硫丹的积累量明显减少，土壤中硫丹(初始质量浓度为5 mg/L)的降解率可达到92%。本研究发现，水稻根际接种菌株AT2不仅可显著降低水稻根和叶中莠去津的积累量，同时还可促进土壤中残留莠去津的降解，与Rani等的研究结果类似。据报道，农药在植物中的代谢解毒主要通过植物酶系的诱导转化实现。农药进入植物后首先在细胞色素P450酶系(CYPs)、漆酶等酶系的作用下进行氧化、还原和水解等反应，进一步通过糖基转移酶、谷胱甘肽S-转移酶等酶系与植物体内的亲水型分子结合形成II相代谢产物，同时降低对植物的毒性，该II相代谢产物随后能被Ⅲ相代谢转运子识别，将结合物沉积在液泡中或通过主动运输排出至细胞间隙。本研究发现，莠去津胁迫下，参与水稻中I相(P450、漆酶)和II相代谢(甲基转移酶、糖基转移酶、谷胱甘肽S-转移酶、硫氧还蛋白)的关键降解基因在菌株AT2作用下显著上调表达，推测这可能是菌株AT2能够促进水稻中莠去津降解，修复莠去津对水稻毒害的内在原因。
综上，本研究揭示了莠去津胁迫可降低水稻根际细菌α多样性，导致微生物群落结构发生改变，同时还可增加根际土壤中莠去津降解基因的丰度。另外，接种莠去津降解菌Pseudomonassp.AT2则能缓解莠去津对水稻的胁迫损伤，激活水稻中莠去津降解基因的表达，进而促进“土壤-水稻”系统中莠去津的降解代谢，阻控残留莠去津向水稻地上部转移富集。研究结果可为利用功能微生物定向修复残留农药污染，保障作物的安全生产提供理论基础。
莠去津对水稻根际土壤微生物菌群结构及降解基因丰度的影响（一）
莠去津对水稻根际土壤微生物菌群结构及降解基因丰度的影响（二）
相关新闻推荐
2、盐碱地中微生物（细菌和古细菌）对盐度的响应模式与进化策略