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硫化氢与植物生长促进菌JIL321联合应用对盐胁迫下水稻光合效率、土壤酶活性及生长促进的调控

期刊:microbiological researchDOI:10.1016/j.micres.2021.126943

这篇文档属于类型a,是一篇关于植物生长促进菌(PGPB)与硫化氢(H₂S)联合应用缓解水稻盐胁迫的原创性研究。以下是针对该研究的学术报告:


作者与发表信息

本研究由Gang Wang(天津大学环境科学与工程学院)、Bowen Li(共同第一作者)、Hongzhi Zhao(南开大学环境科学与工程学院)等合作完成,通讯作者为Chunfeng GuanJing Ji(均来自天津大学)。研究发表于Microbiological Research(2022年,卷256,文章编号126943),于2021年12月11日在线发布。


学术背景

研究领域:植物-微生物互作与逆境生理学。
研究动机:盐胁迫是全球作物减产的主要非生物胁迫之一,而水稻作为主粮作物对盐分高度敏感,尤其在幼苗期。传统方法(如改良土壤或育种)成本高、周期长,因此探索微生物与信号分子协同增效的生理调控机制具有重要价值。
科学基础
1. 盐耐受性植物生长促进菌(PGPB):可通过分泌吲哚乙酸(IAA)和ACC脱氨酶(1-aminocyclopropane-1-carboxylate deaminase)等物质促进植物生长。
2. 硫化氢(H₂S):作为气体信号分子,在植物应对重金属、干旱等胁迫中起关键作用,但其与PGPB的协同机制尚不明确。
研究目标
1. 分离鉴定耐盐PGPB菌株,评估其对水稻盐胁迫的缓解效果;
2. 探究H₂S对PGPB功能及水稻耐盐性的调控作用;
3. 揭示H₂S与PGPB联合应用的协同机制。


研究流程与方法

1. 菌株分离与鉴定

  • 样本来源:从水稻根际土壤中分离菌株,通过含85.58 mM NaCl的LB培养基筛选。
  • 分子鉴定:提取基因组DNA,扩增16S rDNA序列(引物27F/1492R),经NCBI BLAST比对和系统发育树分析(MEGA 6软件),确定菌株为Myroides sp. JIL321(GenBank登录号MZ356500)。
  • 功能表征:测定其耐盐上限(1,283.37 mM NaCl)、IAA和ACC脱氨酶产量,并分析H₂S预处理(0.2 mM NaHS)对菌株生长曲线的影响。

2. 水稻盐胁迫实验设计

  • 材料:水稻品种4011(泰国香稻与天津小站稻杂交后代)。
  • 处理组
    • 对照组(C):无盐胁迫;
    • 盐胁迫组(NaCl):150 mM NaCl;
    • 盐胁迫+H₂S清除剂组(NaCl+HT);
    • 盐胁迫+H₂S供体组(NaCl+NaHS);
    • 盐胁迫+JIL321接种组(NaCl+JIL321);
    • 联合处理组(NaCl+JIL321+NaHS)。
  • 培养条件:光照16 h/黑暗8 h,温度25±2°C,湿度60±5%。

3. 生理生化指标测定

  • 生长参数:株高、根长、鲜重(FW)、干重(DW)、相对含水量(RWC)。
  • 光合作用:使用LI-6400便携式光合仪测定净光合速率(Pn)、气孔导度(Cond)、蒸腾速率(Tr)。
  • 渗透调节物质:脯氨酸(Proline)、可溶性糖、可溶性蛋白含量。
  • 土壤酶活性:脲酶(Urease)、蔗糖酶(Invertase)、过氧化氢酶(Catalase)活性。
  • H₂S含量:分光光度法测定叶片和根中内源H₂S浓度。

4. 数据分析

  • 使用SPSS 18进行单因素方差分析(ANOVA)和Duncan检验(p<0.05);
  • 通过MetaboAnalyst 5.0进行主成分分析(PCA)和热图聚类分析。

主要结果

  1. 菌株特性

    • JIL321在300 mM NaCl下ACC脱氨酶活性达2.41 μmol/(mg·h),较无盐条件提高27.54%;H₂S预处理进一步使其IAA产量提升32.12%。
    • 生长曲线显示,H₂S缩短了菌株在高盐(855.58 mM NaCl)下的滞后期。
  2. H₂S的调控作用

    • 盐胁迫诱导水稻内源H₂S积累(468.35 μmol/g FW),NaHS处理显著提高叶片H₂S含量至587.29 μmol/g FW,而HT(H₂S清除剂)抑制此效应。
    • NaHS处理使盐胁迫水稻的鲜重和干重分别增加53.66%和73.33%,叶绿素含量提高47.54 mg/(g·FW)。
  3. 联合处理效果

    • JIL321+NaHS组的水稻株高和根长较单一盐胁迫组分别增加113.04%和58.82%,光合参数Pn和Cond提升186.11%和146.69%。
    • 土壤脲酶和蔗糖酶活性分别提高49.27%和172.55%,且可溶性糖积累量增加101.92%。
  4. 机制解析

    • H₂S通过增强JIL321的IAA和ACC脱氨酶分泌,间接促进水稻渗透调节(脯氨酸和可溶性糖积累)及光合效率。
    • PCA分析表明,联合处理组与其他组显著分离,聚类分析显示DW、FW和H₂S含量为核心响应指标。

结论与价值

  1. 科学意义:首次证实H₂S与PGPB的协同作用可通过调控微生物功能与植物信号通路双向缓解盐胁迫,为“微生物-信号分子”互作理论提供新证据。
  2. 应用价值:联合使用JIL321和NaHS可作为低成本、高效的盐渍土改良策略,尤其适用于沿海稻区。

研究亮点

  1. 创新性发现:H₂S不仅能直接增强植物耐盐性,还可通过调控PGPB代谢功能实现间接增效。
  2. 方法学贡献:建立了一套整合微生物学、植物生理学和土壤酶学的多维度评估体系。
  3. 实际意义:菌株JIL321的耐盐极限(1,283.37 mM NaCl)远超常见PGPB,具备田间应用潜力。

其他有价值内容

  • 局限性:未明确H₂S调控JIL321基因表达的具体分子靶点,建议后续通过转录组学深入解析。
  • 扩展方向:可测试该联合方案对其他盐敏感作物(如小麦)的普适性。

(全文约2,200字)

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