文章題目：Dopamine alleviates cadmium stress in apple trees by recruiting beneficial microorganisms to enhance the physiological resilience revealed by high-throughput sequencing and soil metabolomics
河北農(nóng)業(yè)大學(xué)在《Horticulture Research》上發(fā)表了多巴胺緩解蘋(píng)果鎘脅迫的研究成果。本研究中代謝組和微生物組檢測(cè)及部分?jǐn)?shù)據(jù)分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
由于農(nóng)藥、化肥的過(guò)度使用以及工業(yè)“三廢”的排放，導(dǎo)致土壤鎘污染日趨嚴(yán)重，鎘是土壤中最常見(jiàn)的高毒性重金屬污染物。蘋(píng)果是世界上最重要的經(jīng)濟(jì)水果之一，種植面積大，生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，巨大的時(shí)空跨度使其容易遭受鎘污染，嚴(yán)重威脅蘋(píng)果生長(zhǎng)發(fā)育和品質(zhì)安全。多巴胺具有較強(qiáng)的抗氧化能力，在植物響應(yīng)逆境脅迫中具有重要作用。然而，關(guān)于多巴胺調(diào)控蘋(píng)果鎘脅迫的研究較少。
多巴胺對(duì)鎘脅迫下蘋(píng)果生長(zhǎng)、總?cè)~綠素含量、相對(duì)電解泄漏量、多巴胺含量及光合參數(shù)的影響
在第60天，鎘脅迫（ST）幼苗的株長(zhǎng)、干粗、總干重和相對(duì)生長(zhǎng)率與對(duì)照（CK）相比均顯著降低。相反，與ST相比，多巴胺處理（DST）顯著提高了上述參數(shù)(圖1a-e)。此外，多巴胺處理后的總?cè)~綠素含量（TCC）比ST植株顯著提高了7.0%。與對(duì)照相比，ST植株的相對(duì)離子滲漏率（REL）顯著提高了44.8%，而DST植株的REL僅提高了6.9%(圖1f和g)。
在處理60天后，測(cè)量了葉片和根中多巴胺的內(nèi)源性水平：與對(duì)照相比，Cd脅迫下根中多巴胺含量顯著升高。施用多巴胺后，根和葉中多巴胺含量較ST顯著提高了252.6%和191.7%(圖1h)，說(shuō)明外源多巴胺增加了內(nèi)源多巴胺水平。此外，DST植物的蒸騰速率(tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和凈光合速率(Pn)比ST顯著提高了60.3%、80.0%和64.3%，而細(xì)胞間CO2濃度(Ci)則降低了2.3%(圖1i- l)。
圖1 Cd脅迫下多巴胺對(duì)蘋(píng)果生長(zhǎng)參數(shù)及多巴胺含量的影響
多巴胺減輕Cd誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激
與ST相比，DST植株H2O2含量和O2??產(chǎn)量顯著降低20.9%和21.9%。葉綠素?zé)晒鈪?shù)(Fv/Fm)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)均顯著高于ST，分別提高了11.4%和19.0%。與此同時(shí)，MST處理的蘋(píng)果葉片過(guò)氧化物酶(POD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和抗壞血酸氧化酶(APX)活性顯著升高，其中上述抗氧化酶活性較ST處理分別顯著提高了26.0%、32.1%、43.2%和63.2%。最后，與對(duì)照相比，Cd脅迫下總抗氧化能力(T -AOC)顯著提高了10.9%，DST脅迫下提高了26.4%(圖2)。
圖2 多巴胺對(duì)Cd脅迫下應(yīng)激反應(yīng)性狀的影響
圖3a顯示了不同處理后的蘋(píng)果葉和根的染色，Cd以棕紅色復(fù)合體的形式積累。與對(duì)照相比，ST處理植株的Cd濃度和累積量分別顯著增加了85.2倍和67.0倍，葉片分別增加了1.72倍和1.32倍。與ST相比，DST植株的Cd濃度和累積量分別顯著降低了16.8%和9.3%，葉片分別降低了34.8%和32.7%（圖3b）。
多巴胺調(diào)節(jié)抗氧化酶和抗壞血酸(AsA) -谷胱甘肽(GSH)循環(huán)相關(guān)基因以及Cd攝取和解毒基因
大部分抗氧化酶和AsA-GSH循環(huán)相關(guān)基因在ST葉片中均有不同程度的上調(diào)，而在ST根中無(wú)明顯差異。然而，多巴胺作用后，幾乎所有抗氧化和AsA-GSH相關(guān)基因均顯著上調(diào)。其中，MdCAT在葉片中比ST上調(diào)1.9倍，MdCAT、MdMDHAR和MdcGR在根中分別上調(diào)3.2倍、3.6倍和3.4倍(圖4a-b)。與ST相比，DST葉片中MdNRAMP3、MdHMA4、MdHA7和MdFRO2-like的表達(dá)量分別下調(diào)42.3%、53.2%、69.1%和62.6%，在根中分別下調(diào)55.6%、66.4%、10.6和38.6%。在Cd脫毒基因中，MdCAX2和MdNAS1在葉片中顯著上調(diào)76.4%和125.7%，MdCAX2在根中顯著上調(diào)58.3%(圖4c-d)。
圖4 不同處理下抗氧化酶、AsA-GSH循環(huán)和Cd吸收解毒相關(guān)基因的表達(dá)
多巴胺處理后細(xì)菌和真菌α-多樣性評(píng)估顯示，與ST相比，Simpson指數(shù)明顯升高。非度量多維尺度分析(NMDS)顯示，Cd脅迫和外源多巴胺處理導(dǎo)致不同處理間差異顯著(圖5a-b)。在各種處理中，酸桿菌、氯桿菌、放線菌占細(xì)菌群落的主導(dǎo)地位，擔(dān)子菌門(mén)、子囊菌門(mén)占真菌群落的主導(dǎo)（圖5c-d）。優(yōu)勢(shì)細(xì)菌和真菌屬也發(fā)生了變化，DST中大多數(shù)優(yōu)勢(shì)細(xì)菌和真菌屬的相對(duì)豐度相對(duì)于ST顯著降低（圖5e-f）。
群落組裝過(guò)程決定了物種分布和豐度的模式，這是微生物組生態(tài)學(xué)的核心。Homogenizing dispersal在CK和ST根際細(xì)菌群落的隨機(jī)過(guò)程中占主導(dǎo)地位。多巴胺改變了根際細(xì)菌的組裝過(guò)程，Undominanted、Homogenizing dispersal和Dispersal limitation分別占66.7%、22.2%和11.1%。對(duì)于根際真菌群落，Undominant process是CK最重要的組裝過(guò)程，而Homogeneous selection在ST和DST樣本中占主導(dǎo)地位（圖6）。
圖6 β-NTI在細(xì)菌(a)和真菌(b)樣品中的分布
共線性網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在DST樣本的細(xì)菌群落中，節(jié)點(diǎn)數(shù)和總鏈接數(shù)較ST顯著增加。在真菌群落中，與ST相比，多巴胺處理后節(jié)點(diǎn)數(shù)和總鏈接數(shù)明顯減少。此外細(xì)菌和真菌群落之間的總鏈接數(shù)明顯增加。并且鎘脅迫條件下多巴胺處理使中介中心性前五的關(guān)鍵屬發(fā)生改變。以上結(jié)果表明，Cd脅迫和多巴胺對(duì)微生物組成結(jié)構(gòu)有顯著影響(圖7)。
圖7 根際土壤中細(xì)菌群落(a)、真菌群落(b)、細(xì)菌和真菌群落(c)之間的網(wǎng)絡(luò)分析
潛在有益微生物相對(duì)豐度與RGR和全株Cd積累的關(guān)系
基于LEfSe分析，篩選出了DST處理中的標(biāo)志微生物群落。隨后，我們將標(biāo)志菌群豐度與植株相對(duì)生長(zhǎng)速率(RGR)和整株Cd積累量之間進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)Pseudoxanthomonas, Aeromicrobium, Bradyrhizobium, Frankia, Saccharimonadales, Novosphingobium, Streptomyces 與整株Cd積累量顯著負(fù)相關(guān)，與RGR顯著正相關(guān)（圖8-10）。
圖8 細(xì)菌(a)和真菌(b)譜系的進(jìn)化分布圖
圖9 生物標(biāo)記類群的相對(duì)豐度與相對(duì)生長(zhǎng)率(RGR)的關(guān)系(Pearson相關(guān)分析)
圖10 生物標(biāo)記類群相對(duì)豐度與全株Cd積累的關(guān)系(Pearson相關(guān)分析)
外源多巴胺調(diào)節(jié)Cd脅迫的土壤代謝
利用代謝組學(xué)對(duì)各處理土壤代謝物進(jìn)行研究(VIP > 1，P < 0.05)。偏最小二乘判別分析(PLS-DA)表明，處理間存在顯著的分離。Cd脅迫和添加多巴胺后，14種和18種代謝物的豐度分別發(fā)生了顯著變化。這些結(jié)果表明，外源多巴胺明顯改變了鎘脅迫下土壤代謝譜。施用多巴胺后，13種土壤代謝物相對(duì)豐度明顯上調(diào)，5種土壤代謝物相對(duì)豐度明顯下調(diào)(圖11)。
將標(biāo)志微生物，差異代謝物，RGR和整株Cd積累量，共同建立共線性網(wǎng)絡(luò)圖。結(jié)果發(fā)現(xiàn) (3β,5ξ,9ξ)-3,6,19-trihydroxyurs-12-en-28-oic acid (r = 0.8424)和juniperic acid (r = 0.7939)的相對(duì)豐度與RGR顯著正相關(guān)。(10E,15Z)-9,12,13-trihydroxy-10,15-octadecadienoic acid (r = ?0.8182)、(3β,5ξ,9ξ)-3,6,19-trihydroxyurs-12-en-28-oic acid (r = ?0.8061)和L-threonic acid (r = ?0.8061) 的相對(duì)豐度與整株Cd積累量顯著負(fù)相關(guān)。并且相關(guān)代謝物和微生物之間也具有顯著相關(guān)性。Saccharimonadales, Pseudoxanthomonas和Novosphingobium 分別與 L-threonic acid (r = 0.9152), profenamine (r = 0.8788)和juniperic acid (r = 0.8788)顯著正相關(guān)。(3β,5ξ,9ξ)-3,6,19-trihydroxyurs-12-en-28-oic acid 與Aeromicrobium (r = 0.8545), Bradyrhizobium (r = 0.8424)和Streptomyces (r = 0.8061)顯著正相關(guān)（圖12）。
圖12 生物標(biāo)記類群、土壤代謝物和相對(duì)生長(zhǎng)速率/全株Cd積累的共線性分析
本研究利用土壤微生物組和代謝組聯(lián)合分析，研究了多巴胺對(duì)鎘脅迫下蘋(píng)果植株生長(zhǎng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，多巴胺可以增強(qiáng)植株光合作用，激活活性氧清除系統(tǒng)，降低植株體內(nèi)活性氧水平；抑制鎘吸收基因的表達(dá)，促進(jìn)鎘解毒基因的表達(dá)，減少植株鎘積累，從而緩解鎘脅迫對(duì)植株生長(zhǎng)的抑制。此外，多巴胺顯著改變了土壤代謝物的組成以及根際微生物群落多樣性。LEfSe分析表明多巴胺可通過(guò)誘導(dǎo)植物招募潛在的有益微生物來(lái)抵抗鎘脅迫。共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)顯示，多巴胺正向調(diào)節(jié)的幾個(gè)代謝產(chǎn)物與植物相對(duì)生長(zhǎng)速率呈顯著正相關(guān)，與鎘積累則呈顯著負(fù)相關(guān)，表明潛在有益微生物可能被上述代謝產(chǎn)物所調(diào)控。研究結(jié)果有助于今后深入研究多巴胺調(diào)控蘋(píng)果鎘脅迫的功能機(jī)制，也為果園土壤重金屬治理提供了新的思路和策略。
原文索引：
Cao Y, Du P, Zhang J, Ji J, Xu J, Liang B. Dopamine alleviates cadmium stress in apple trees by recruiting beneficial microorganisms to enhance the physiological resilience revealed by high-throughput sequencing and soil metabolomics. Hortic Res. 2023 May 22;10(7):uhad112.
doi: 10.1093/hr/uhad112.
