2021-08-24
期刊：Frontiers in Microbiology
影響因子：5.640
文章題目：Endophytic Bacillus altitudinis Strain Uses Different Novelty Molecular Pathways to Enhance Plant Growth
技術手段：16s rRNA、RNA-Seq（互作轉錄組）
派森諾生物與山東元泰生物工程有限公司攜手合作，于近期在《Frontiers in Microbiology》上發表了內生細菌促進擬南芥生長的研究成果。
研究背景
植物內生細菌的鑒定和利用是可持續農業發展的重要目標。在自然界中，植物可以與多種促進植物生長的內生細菌共存，這些細菌可通過增強寄主的養分獲取、固氮、獲取鐵和產生鐵載體的能力來促進寄主生長，也有研究認為，內生細菌能產生促生長的植物激素，如IAA、ACC等。然而目前內生細菌促進寄主生長的分子機制仍無定論。
野生植物面臨著復雜多變的生存環境和脅迫條件，從這類物種中分離出的內生細菌更有可能促進多種植物生長。因此，本研究旨在從野生植物中分離和鑒定內生細菌，并對其促進植物生長的特性和參與內生細菌-植物相互作用的主要分子事件進行研究。
技術路線圖
研究結果
1、 內生細菌的分離和鑒定
從野生植物：中華甜茅中分離出6種內生細菌，其中只有菌株SB001能夠穩定定植。利用16s rRNA測序進行菌種鑒定和系統發育樹構建，最終確定該菌株為高原芽孢桿菌Bacillus altitudinis（圖1）。
圖1 內生細菌SB001的16S rRNA系統發育樹
2、 菌株SB001促進不同植物的生長
隨后對內生菌株SB001在不同植物種類中的促生長作用進行了評價。SB001處理后擬南芥生長顯著，表現在蓮座直徑、葉片大小和鮮重顯著增加（圖2）。類似地，SB001也顯著刺激了煙草和玉米植株的生長，然而其對大豆植株生長沒有顯著影響。總體而言，這些結果表明，接種SB001后不同植物的營養生長都得到了一定程度的改善。
圖2 內生細菌SB001顯著誘導擬南芥生長
3、 菌株SB001誘導植物生長相關基因的轉錄水平變化
擬南芥部分：
RNA-seq數據分析顯示，與對照擬南芥相比，互作樣品中有368個差異表達的基因，上調基因256個，下調基因112個（圖3）。其中，成熟酶K、TPR-like超家族蛋白、LOB結構域蛋白、BTB/POZ和TAZ結構域蛋白在細菌-擬南芥互作過程中上調表達程度最高，而轉錄因子：TF ASR3、TF MYB90和O-甲基轉移酶家族蛋白在細菌-擬南芥互作過程中受到顯著抑制(表1)。進一步對差異表達基因進行富集分析。GO富集分析顯示，富集程度最高的條目是NADH脫氫酶(醌)、NADH脫氫酶(泛素)活性、NADH脫氫酶和氧化還原酶（圖4 A）；KEGG富集分析中，最值得關注的通路為氮代謝和氧化磷酸化途徑（圖4 B）。
圖3 差異基因的火山圖
表1 擬南芥部分最重要的差異表達基因（篇幅原因僅展示部分）
上調表達的基因中，成熟酶K基因的表達與發育階段、黃化以及發育和光合作用的調控過程有關，其上調表達可能通過增強光合作用對植物生長產生影響；TPR蛋白在植物激素信號（如GA、細胞分裂素和乙烯）傳遞中發揮重要作用；含有LOB結構域的蛋白基因可編碼一些植物特異性轉錄因子，可調節植物器官發育、光形態建成、葉柄發育、激素反應和代謝；此外，BTB/POZ和TAZ結構域蛋白基因在配子體發育過程中是必需的。下調表達的基因中，TF MYB90可能與植物生長相關：有研究表明，番茄TF AtMYB90的異源表達增加了番茄花青素的產量，抑制了番茄植株的生長。
圖4 差異基因的GO和KEGG富集分析
原核部分：
此外，也在互作樣本中鑒定到3413個來自菌株SB001的基因。與對照組相比，互作樣本有22個基因上調，8個基因下調。其中，MFS轉運體、蔗糖-6-磷酸水解酶、磷酸ABC轉運體、DNA旋轉酶B亞基、多糖生物合成蛋白、絲氨酸磷酸酶和鞭毛生物合成蛋白的基因上調表達程度最高。此外，延伸因子G、2,3-丁二醇脫氫酶、二氫脂酰胺琥珀酰轉移酶、脯氨酸脫氫酶基因則受顯著抑制(表2)。
表2 原核部分最重要的差異表達基因（篇幅原因僅展示部分）
有研究表明，MFS轉運體促進不同分子的運輸，如糖、維生素、氨基酸和激素穿過細胞膜，該基因的高表達允許運輸重要的激素參與植物的生長；另外對擬南芥的旋轉酶-A基因進行沉默導致胚胎死亡，而對旋轉酶-B基因進行沉默則會嚴重影響其生長發育，因此反推過表達旋轉酶基因可能促進植物生長。
綜上，內生細菌SB001能夠通過激活植物生長的重要途徑，尤其是植物激素和轉錄因子的合成，從而促進其生長。
總 結
本研究從野生植物中華甜茅（Glyceria chinensis）中分離并鑒定了一種新的內生細菌：SB001。
通過16S rDNA測序，該細菌被鑒定為高原芽孢桿菌Bacillus altitudinis。
溫室實驗證明，內生菌SB001能促進不同植物的生長。
轉錄組測序結果表明，成熟酶K、TPR樣超家族蛋白、LOB結構域蛋白和BTB/POZ/TAZ結構域蛋白可能參與了內生菌SB001對擬南芥的促生作用；此外，在內生菌中發現了與植物相互作用過程中主要促進因子：MFS轉運體和DNA旋轉酶亞基B。
這些新發現表明，內生菌SB001可作為促進植物生長的有利候選源，在可持續農業中發揮重要作用。
本研究的互作轉錄組測序和數據分析工作由上海派森諾生物科技有限公司完成。
