研究簡介：植物擁有大量多樣的微生物群落，即植物微生物群落，這對植物健康至關(guān)重要。有益的植物-微生物組相互作用通過各種機(jī)制促進(jìn)生長、緩解壓力和防御病原體，從而提高植物的適應(yīng)性。直接刺激是通過產(chǎn)生植物激素或1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸脫氨酶、誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性以及通過固氮、磷溶解和鐵載體分泌增加養(yǎng)分獲取來介導(dǎo)的。在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的還原論方法是破譯根際微生物組中微生物相互作用及其與宿主健康相關(guān)性的一種很有前景的策略。一般來說，芽孢桿菌屬和假單胞菌屬，是根際中研究最廣泛的有益微生物，屬于這兩個屬的幾種商業(yè)產(chǎn)品目前可用于農(nóng)作物的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。盡管植物促生根際細(xì)菌(PGPR)的生物防治能力和促進(jìn)植物生長的作用已經(jīng)得到深入研究，但它們對本土根際微生物組組成的影響仍未得到充分探索。研究人員使用芽孢桿菌SQR9作為PGPR的代表來表征PGPR對常駐根際微生物組的影響，并使用簡化的兩個物種群落與目標(biāo)根際群落細(xì)菌研究新興微生物的相互作用。通過使用生物信息學(xué)、遺傳、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)分析來揭示接種劑（施氏假單胞菌SQR9）在黃瓜根際對植物有益的本土施氏假單胞菌之間的共養(yǎng)合作。
Bioscreen全自動微生物生長曲線分析儀的應(yīng)用
基于TSB的生長曲線測定，芽孢桿菌SQR9和施氏假單胞菌XL272分別在富含TSB的培養(yǎng)基中生長24小時，將細(xì)胞培養(yǎng)物離心，然后將上清液作為細(xì)菌代謝物過濾滅菌。將2μl起始接種物接種到10×10孔蜂窩微孔板中的200μl TSB培養(yǎng)基或補(bǔ)充有10%細(xì)菌代謝物的TSB。使用Bioscreen C全自動微生物生長曲線分析系統(tǒng)在30°C下每30分鐘測量一次OD 600。每個處理設(shè)5個重復(fù)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果：研究表明PGPR可以招募本地有益細(xì)菌，并可以通過交叉喂養(yǎng)與它們合作互動。協(xié)同生物膜的形成伴隨著增強(qiáng)的植物生長促進(jìn)和鹽脅迫緩解能力。芽孢桿菌SQR9能夠被根系分泌物吸引并在根際。在植物根部建立生物膜后，它會分泌代謝物，增加原生植物有益屬（如假單胞菌的豐度種），通過形成緊密相關(guān)的生物膜，它們共享細(xì)胞外基質(zhì)和必需代謝物，從而增加它們在根際的適應(yīng)性。因此簡化的群落促進(jìn)植物生長和緩解鹽脅迫的能力增強(qiáng)。提出了一種使用具有協(xié)同作用的微生物接種劑來促進(jìn)植物健康的生態(tài)學(xué)方法，是了解根際微生物組中微生物相互作用的重要一步。
圖1、施氏假單胞菌XL272和芽胞桿菌SQR9在某些條件下協(xié)同形成生物膜。通過鮮重和結(jié)晶紫測定法定量生物膜生物量。(A)生物膜在靜態(tài)TSB培養(yǎng)基中培養(yǎng)。P代表施氏假單胞菌XL272單培養(yǎng)薄膜，S代表芽胞桿菌SQR9單培養(yǎng)薄膜，PS代表共培養(yǎng)薄膜。條形代表平均值±sd(n=6)。根據(jù)方差分析，通過Prism 8進(jìn)行的Tukey檢驗(yàn)，不同的字母表示具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的差異。（B）相互作用強(qiáng)度定義為共培養(yǎng)中DNA拷貝相對于單一培養(yǎng)中平均DNA拷貝的對數(shù)刻度。靜態(tài)TSB和靜態(tài)REM（根系分泌物培養(yǎng)基）代表結(jié)構(gòu)化、營養(yǎng)豐富的條件，搖動的TSB代表非結(jié)構(gòu)化、營養(yǎng)豐富的條件，靜態(tài)MSgg代表結(jié)構(gòu)化、營養(yǎng)有限的條件。合作只發(fā)生在結(jié)構(gòu)化、營養(yǎng)豐富的條件下。（C）TSB培養(yǎng)基中單一培養(yǎng)和共培養(yǎng)的生物膜形成。在CLSM下觀察由施氏假單胞菌XL272（洋紅色）和芽胞桿菌SQR9（綠色）形成的生物膜。井徑為15.6毫米。（D）在TSB瓊脂上生長的菌落。DsRed標(biāo)記的施氏假單胞菌XL272被染成洋紅色，GFP標(biāo)記的芽胞桿菌SQR9被染成綠色。
圖2、（A）在純TSB培養(yǎng)基中培養(yǎng)的單一培養(yǎng)物（正方形）、在添加了10%其他物種上清液的TSB上生長的單一培養(yǎng)物（圓形）和共培養(yǎng)物（六邊形）的生長曲線。芽孢桿菌SQR9 TSB用過的培養(yǎng)基促進(jìn)了施氏假單胞菌XL272的生長?！癒”表示生長能力，“R”表示生長速率，由生長曲線的R包計(jì)算得出。（B）M9用過的培養(yǎng)基實(shí)驗(yàn)的示意圖。分離物在M9葡萄糖培養(yǎng)基中獨(dú)立生長6天（芽孢桿菌SQR9）或4天（施氏假單胞菌XL272)直到檢測到葡萄糖，然后從懸浮液中濾出細(xì)胞。
圖3、聯(lián)合體促進(jìn)植物生長并緩解鹽脅迫。（A）照片顯示了在普通稻田土壤或鹽處理稻田土壤中種植的6周齡黃瓜植株，接種了S（B.velezensis SQR9）、P（P.stutzeri XL272）或PS（P和S的混合物）。CTL代表在沒有接種細(xì)菌的普通土壤中生長的植物。（B）植物的拍攝高度。（C）枝條干重。（D）植物的葉綠素含量。
圖4、合成BCAA的能力是貝氏芽孢桿菌SQR9在最小培養(yǎng)基中生存的必要條件，但在豐富培養(yǎng)基中是必不可少的。(A)B.vele zensisBCAAs生物合成突變體的生長曲線(B)芽孢桿菌zensisBCAAs生物合成突變體在單培養(yǎng)膜中的細(xì)胞數(shù)量。星號表示與野生型相比具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(p<0.01)。(C)雙種生物膜細(xì)胞數(shù)，上標(biāo)題為中型，下標(biāo)題為芽孢桿菌突變體。
圖5、單個微生物的生長動力學(xué)。（A和B）在M9培養(yǎng)基中以相應(yīng)化合物作為唯一碳源對芽孢桿菌SQR9和施氏假單胞菌XL272的生長曲線進(jìn)行研究。（C&D）生長能力是最大的種群規(guī)模。該值為最大OD600值減去初始OD600值。（E&F）增長率是指數(shù)階段生長曲線的斜率。給出的數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（n=5）。誤差條代表標(biāo)準(zhǔn)偏差。
總結(jié)：營養(yǎng)相互作用在驅(qū)動微生物群落組裝和功能方面發(fā)揮著核心作用。在腸道或土壤生態(tài)系統(tǒng)中，有效的定殖總是有助于成功的接種劑。然而很少研究接種物和常駐細(xì)菌之間的代謝物交換，特別是在根際進(jìn)行相關(guān)研究。研究人員使用生物信息學(xué)、遺傳、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和代謝組學(xué)分析來揭示接種劑（芽孢桿菌SQR9）在黃瓜根際對植物有益的本土施氏假單胞菌之間的共養(yǎng)合作。研究發(fā)現(xiàn)這兩個物種的協(xié)同作用高度依賴于環(huán)境，共養(yǎng)合作的出現(xiàn)僅在靜態(tài)營養(yǎng)豐富的生態(tài)位中很明顯，例如根際的表膜生物膜。研究結(jié)果確定了支鏈氨基酸(BCAAs)生物合成途徑參與了共養(yǎng)合作?；蚪M規(guī)模的代謝建模和代謝分析也證明了細(xì)菌菌株之間的代謝促進(jìn)作用。此外來自芽孢桿菌的生物膜基質(zhì)成分對互動至關(guān)重要。重要的是這兩個物種的聯(lián)合體促進(jìn)了植物生長并幫助植物緩解了鹽脅迫。研究人員提出了一種機(jī)制，其中生物防治細(xì)菌和伙伴物種之間的協(xié)同相互作用促進(jìn)植物健康。本研究工作擴(kuò)展了對通常發(fā)生在根際的復(fù)雜微生物相互作用的認(rèn)識，為安全和生態(tài)友好型農(nóng)業(yè)中的根際工程提供了指導(dǎo)。
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