抗铝SynCom显着提高水稻的铝抗性并缓解磷缺乏
研究简介：酸性土壤占世界潜在可耕地的40-50%。全球土地面积为3950万公顷，pH<5.5为酸性土壤。在这些土壤中生长的作物通常容易遭受铝(Al)毒性胁迫，这被认为是继干旱之后作物的第二大非生物胁迫。酸性土壤中溶解的根部毒性Al3+会对植物根部造成严重损害，抑制根部伸长40%，并导致根系发育不良根际微生物组为作物的胁迫耐受性和生长提供重要支持。植物促生根际细菌(PGPR)提供一系列重要的生物学功能，例如改善植物养分获取、病原体耐受性和胁迫耐受性。许多研究调查了PGPR通过释放有机酸和铁载体来改变金属生物利用度，从而赋予植物对重金属（例如镉、铜和锰）的耐受性。合成群落(SynComs)是具有植物有益性状的单个微生物培养物的集合体。它们已被证明可以通过自下而上控制限菌系统中的养分获取或病原体抑制来使植物受益。一些耐铝PGPR的发现，包括永吉类芽孢杆菌DCY84和粘液红酵母CAM4，激发了研究人员探索通过微生物策略在酸和铝胁迫下提高水稻产量的潜在方法。本论文研究人员假设组装和应用合适的抗铝SynCom可以通过优化根系形态和改善土壤养分来提高水稻的铝抗性可用性。研究人员的目标是(1)鉴定抗铝细菌并开发高效的抗铝SynCom，(2)评估SynCom在促进水稻生长方面的有效性，以及(3)阐明SynCom赋予水稻铝抗性的潜在机制和磷的吸收。
丹麦Biosense微生物生长动态监测系统的应用
将D95和D65的单菌落划线到LB琼脂平板上，并在30°C下培养24-48小时。将菌株的纯培养物在5ml LB培养基中培养过夜。将25微升每种细菌悬浮液接种到多孔板中，多孔板已含有175μl具有不同Al3+添加条件（0、0.1、0.3、0.5、1.0 mM，最终pH 4.0）的LB培养基。每个处理使用六次重复平行。使用丹麦Biosense微生物生长动态监测系统在30°C下每小时测量OD600，测试周期持续48小时。
实验结果：研究表明应用抗铝SynCom显着提高了水稻的铝抗性并缓解了磷缺乏。根际中持续保持高丰度的接种的SynCom类群通过质子化提高了pH值并降低了Al 3+，促进了ALP，并降低了表土中P获取的根部生长角度。水稻植株性能、根部微生物组组成和土壤条件之间的相互依赖性突出表明需要考虑农业生态系统中植物-土壤-微生物群的内部完整性。利用微生物策略（例如针对可持续农业的定制SynCom）是改善植物生长、产量和抗性的一种有前途的方法。
图1、南京46号稻不同生育阶段田间试验（a、b）和盆栽试验（c）的表型和产量。a中的比例尺为2厘米。在田间试验（b）中，测量了三株健康水稻的株高和土壤植物分析发展（SPAD）值，并在每个小区中称重了六株水稻的产量。箱线图中的每个方框汇总了每次处理的n=4个生物重复田间图中的数据点。d，通过透射电镜观察水稻根部铝的分布。
图2、耐铝菌株的鉴定。不同Al3+浓度下红绿假单胞菌和铜绿假单胞菌的生长曲线。图中黑色和红色字母分别表示实验设置Al3+浓度和Geochem-EZ预测的游离Al浓度。
图3、a)通过X射线CT技术无损可视化土壤下南京46水稻根系结构的原位3D结构。b、c、CT图像显示的根直径、总长度和根角度的差异。d，通过rhizobox方法和根图绘制南京46的原位二维水稻根系结构。e，南京46在根箱中根角的时间动态。f，南京46号水稻的根角差异。
图4、a）不同土壤剖面深度的pH和Al3+浓度。b，通过qPCR确定SynCom的定植。红色和绿色星号表示相同土壤深度下Al+RP的丰度显着高于Al+。c–e，通过13 C-DNA-SIP测定SynCom对细菌群落的影响。在c中，显示了微生物群落结构的差异。d中显示了变形菌的群落组成。在e中，显示了放线菌的群落组成。f，不同pH值下铜绿假单胞菌与质子的相互作用。左图：接种铜绿假单胞菌提高了原始pH值。右图：铜绿假单胞菌在不同pH值下的衰减全反射傅里叶变换红外光谱。
图5、a，不同土壤剖面深度的磷的不同形式和分数。Po代表有机磷。数据表示为三个生物重复的平均值±sem。采用双侧不配对t检验方法进行统计显著性检验。b、Al+和Al+RP作用下表层土壤微生物群落残留磷的释放能力。c，根际原位磷酸酶活性。d，伸长阶段根际表层土壤中排名前15位的含有磷的细菌属。e，R.erythropolis的透射电子显微镜图像和R.erythropolis的PolyP带的拉曼光谱。
总结：铝(Al)毒性会阻碍酸性土壤中的作物生长，被认为是继干旱之后全球作物的第二大非生物胁迫。尽管在了解植物的铝抗性方面取得了显着进展，但仍不清楚土壤微生物群是否以及如何赋予作物铝抗性。研究人员发现由从水稻根际分离的高度抗铝菌株组成的合成群落在酸性田中使水稻产量提高了26.36%。合成群落收获根际沉积的碳以成功增殖，并通过细胞外质子化减轻土壤酸化和铝毒性。土壤-植物-微生物的相互作用对于植物健康至关重要。研究人员揭示了根部微生物组如何影响具有铝毒性的酸性土壤中的植物健康。研究发现SynCom由高度耐铝的细菌分离株组成，通过质子化延缓表层土壤的酸化，从而降低了Al3+含量。这个过程降低了植物根组织和微生物暴露于铝毒性的风险本研究提供了一种基于串扰的解决方案，通过在广泛分布的酸性土壤中植物-土壤-微生物组的相互作用来支持作物产量的提高和农业的可持续性。