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版纳植物园在逆境胁迫下的植物-微生物组互作取得系列进展

时间:2022-03-10  来源:科技外事处  浏览次数:   作者:庞志强、毛新雨、李红蕊     打印  字体: 关闭

  微生物可以直接或间接与植物相互作用进而影响宿主植物的生长、抗病和胁迫耐受力(如干旱等非生物胁迫)等,这些微生物统称为植物微生物组(也被称为植物的第二基因组)。近些年,基于根际微生态的生物技术方法在协助农作物应对逆境胁迫等方面引起研究者的广泛关注。已经明确一些重要的根系共生微生物组具有促进宿主植物养分利用、抵御病原菌和干旱等生物胁迫与非生物胁迫的功能,研究人员也密切关注抗旱和抗病作物的微生物资源。版纳植物园热带稻种保护与遗传改良研究组近年来在生物和非生物胁迫下的植物-微生物组互作取得系列进展。 

  研究组博士研究生庞志强和硕士研究生毛新雨联合作物保护与育种基地针对收集的资源植物多花黄精(Polygonatum cyrtonema Hua)在农业生产过程中根茎繁殖的根腐病问题展开研究,解析病害对多花黄精药用成分(多糖及皂苷)、防御相关功能基因及根部微生物的影响。研究发现多花黄精可以调节根茎防御系统和代谢过程,同时影响根茎和根际的微生物组的组装和功能。通过分离培养实验确定了多花黄精根茎腐病的病原菌尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)和炭疽菌(Colletotrichum spaethianum),筛选及接种实验发现健康植株招募的有益微生物链霉菌Streptomyces violascens XTBG45(命名为HJB-XTBG45)能够抑制根茎病原菌的生长及对宿主的致病性,相关研究结果以Multiomics reveals the effect of root rot on polygonati rhizome and identifies pathogens and biocontrol strain为题,在线发表于美国微生物学会(ASM)旗下期刊Microbiology Spectrum,作物保护与育种基地刘贵周高级工程师和徐鹏研究员为该论文的共同通讯作者。同时,筛选出的生防链霉菌菌株HJB-XTBG8已申报专利(菌株保藏号:CGMCC No. 24370,专利受理号:202210158089.9),该研究为农业生产过程中药用植物无性繁殖的根腐病问题提供了根际微生态干预策略。 

  同时,针对不同环境胁迫及人工栽培条件下中药材黄草乌(Aconitum vilmorinianum Kom.)药用成分有所差异的研究背景,研究组硕士研究生李红蕊联合云南生物资源保护与利用国家重点实验室对云南不同地点的黄草乌(Aconitum vilmorinianum Kom.)根部的药用成分(生物碱)和根部微生物组展开调查。研究发现不同地点的黄草乌富含不同的生物碱代谢物,并招募了显著差异的细菌与真菌群落。基于生物信息学及相关性分析,推测了可能影响黄草乌的生物碱代谢过程的潜在微生物组。本研究为黄草乌等中草药的栽培和药用成分研究提供了相关微生物策略。研究成果以Metabolomics and microbiome reveal potential root microbiota affecting the alkaloidal metabolome in Aconitum vilmorinianum Kom.为题,在线发表于微生物学期刊BMC Microbiology上,研究组徐鹏研究员和云南大学余迪求研究员为共同通讯作者。 

  此外,植物次生代谢物具有趋避病原体和害虫、作为植物和微生物共生的信号等重要的功能,如塑造与宿主相关的微生物组等。以往研究表明植物相关的微生物(组)可直接或间接地通过调节植物次生代谢物途径参与上述过程。越来越多的证据表明,植物微生物组群落结构是植物、微生物及其环境条件之间一系列相互作用的结果,在此过程中植物根系的次生代谢物或分泌物是植物-土壤-微生物相互作用的重要介质近年来,利用多组学方法对植物微生物组进行研究,大大加深了研究人员对微生物组与宿主关系的理解。同时,人类或动物(肠道)微生物组及代谢组的组学分析为人类健康、植物和其他领域提供了新的认识和借鉴意义。为此,研究组博士生庞志强和中国农科院麻类研究所程毅副研究员通过整理现有植物微生物组学和代谢组的文献、数据关联分析的技术方法和工具,系统的回顾了近年来植物次生代谢物与微生物组互作的研究进展,详细梳理了植物微生物组的群落结构、组装机理及植物微生物组参与宿主植物次生代谢过程,以Linking Plant Secondary Metabolites and Plant Microbiomes: A Review为题,发表在植物学期刊Frontiers in Plant Science上。 

  研究组前期在非生物胁迫下水、陆稻根系微生物组差异组装也取得研究进展。此前,研究人员以典型的陆稻和水稻品种为材料,研究了水、陆环境条件下的水、陆稻根系微生物组的差异组装。通过高通量测序和传统分离培养相结合的方法,鉴定不同生态型的水、陆稻根系细菌和真菌组成的环境适应性及筛选陆稻根系促生耐旱等功能微生物。相关研究结果以Environmental adaptation of the root microbiome in two rice ecotypesMicrobial Diversity of Upland Rice Roots and Their Influence on Rice Growth and Drought Tolerance为题分别发表于微生物学期刊Microbiological researchMicroorganisms上。 

  总的来说,生物和非生物胁迫等会导致植物根系微生物组的重组,逆境胁迫下特异富集的微生物组可能促进作物生长和抵御逆境潜在微生物资源,其背后的塑造机制及促生功能仍有待进一步解析研究组现培养和保藏细菌和真菌50余属90余种菌株为后续开展机制性工作解析根系微生物组特异选择及抗逆机理提供了有效菌株资源,为创制抗逆促生功能菌肥提供良好的微生态技术思路。 

  上述研究得到中国科学院西双版纳热带植物园“一三五”期间重大突破专项、云南省科技入滇计划、中国科学院A类战略性先导科技专项、海南省农作物遗传育种重点实验室开放课题和中科院科技支撑水城农业农村高质量转型发展研究及示范等项目资助。 

  1:多花黄精病原菌及生防菌防治表型 

  2:影响黄草乌生物碱代谢的潜在微生物组的功能预测及相关性分析 

 

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