织片草螺菌改变二穗短柄草的根系生长以及硝氮和氨氮吸收


发布时间:

2022-06-09

来源:

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作者:

PhenoTrait

  根际相关细菌在谷物中的固氮作用是减少农业中化学氮肥的一个有效解决方案。然而,植物-细菌的反应在不同的环境中是不可预知的。我们假设谷类对固氮细菌的反应是动态的,取决于氮的供应和时间。为了量化动态,我们调整了非生物性的人造生态系统(EcoFAB),以分析氮的质量平衡,拍摄芽和根的生长图像,并测量接种了固氮细菌织片草螺菌的二穗短柄草的基因表达。利用的开源软件和成像系统EcoFAB-N表型分析效率为25-30株/小时。二穗短柄草接种织片草螺菌后,根和芽的生长、硝酸盐与铵的吸收以及基因的表达随着时间的推移而改变;方向和幅度取决于氮的可用性。在较高的氮含量下,织片草螺菌从种子或营养液以外的来源提供了11%的植物总氮含量,无论氮含量如何,初生根更长,根毛更短,低氮含量时变化更强。时间分辨的表型和分子数据,指出了不同的作用模式:在5mM时,通过固定氮而获益;而在0.5mM时,机制似乎是植物生理性的,织片草螺菌促进从根部介质中吸收氮。未来的工作可以对植物和根系相关的微生物的生长和营养动态进行微调。

 

  图1用非侵入性方法对生长在EcoFABs中的二穗短柄草的芽和根进行表型分析

 

  图2 在EcoFAB-N中验证二穗短柄草的芽和根表型及氮供应。(a)EcoFAB-N培养基中的铵耗尽和补充;(b)(b) 在11、20、28 DAT(n分别为12、24、32)时,非侵入性叶面积测量(图1a、b)与叶面积仪Li 3100测量的侵入性叶面积之间的相关性;(c)平板扫描仪成像并由ImageJ分析的非侵入性总根长(图1c,d)与平板扫描仪成像并由WinRHIZO软件测量的侵入性总根长之间的相关性,在28 DAT(n=17)。

 

  图3 在EcoFAB-N中,当根部暴露在5mM NH4NO3或0.5mM NH4NO3中,无论是否有草螺菌,在4、11、17、23和28 DAT中以非破坏性方式测量二穗短柄草的生长情况。(a) 使用数码相机和软件测量的随时间变化的叶面积(用图 1a, b测量);b) 使用平板扫描仪和软件测量的随时间变化的总根长(用图1c,d测量);(c)投影叶面积(a)与整株植物的总根长(b)随时间变化的关系;(d) 主轴根的长度(用图1c,d测量);(e) 侧根的长度(总根长-主轴根总长度);(f) 主轴根上的根毛长度(用图1e, f.测量)所有数据点是平均值±标准误差(n = 10)。

 

  图4 随着时间的推移,EcoFAB-N 培养基中的氮和二穗短柄草中的总氮在含有5 mM或0.5 mM NH4NO3 的培养基中以及有或没有草螺菌的根相关细菌的培养基中耗尽。

 

  图5暴露在5mM NH4NO3或0.5mM NH4NO3下的二穗短柄草根部从Eco-FAB-N培养基中耗损的累积氮量,无论是否有草螺菌。

 

  图6从EcoFAB-N培养基中耗尽的总氮与种子中可利用的氮之间的差异,以及二穗短柄草在使用5mM或0.5mM NH4NO3,有或没有草螺菌(HS)生长的28天后的植物总氮。

 

  图7 对选定的根部转录物进行定量实时PCR。在 EcoFAB 中,在含有或不含有草螺菌 (HS) 的 5 mM NH4NO3 或 0.5 mM NH4NO3 中生长的二穗短柄草根中 AMT1.1、NRT1.1、GS1.1c、NiR、NR 的相对表达水平。

 

  图8 对选定的嫩枝转录物进行定量实时PCR。在 EcoFAB 中,在含有或不含有草螺菌 (HS) 的 5 mM NH4NO3 或 0.5 mM NH4NO3 中生长的二穗短柄草芽中NRT1.1, NRT2.1, GS1.1c, NiR, NR, ARF7的相对表达水平。

 

  图9 在2个氮气条件下,二穗短柄草对接种草螺菌的反应总结。在0.5mM NH4NO3下,Hs导致叶面积增加,主根伸长,根毛缩短。接种的植物也能更快地从培养基中消耗掉NH4+。在5mM NH4NO3下,接种的植物比未接种的植物显示出更长的主根和更短的根毛。他们从培养基中消耗较少的NO3-,相应地,在28DAT时,NRT1.1和NRT2.1在芽中的表达量较高。

 

  来源:Kuang W, Sanow S, Kelm J M, et al. N-dependent dynamics of root growth and nitrate and ammonium uptake are altered by bacteria Herbaspirillum seropedicae in cereal model Brachypodium distachyon[J]. Journal of Experimental Botany, 2022.

  https://doi.org/10.1093/jxb/erac184

  

  编辑:小王博士在努力

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