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β-榄香酸介导的Paenibacillus富集帮助丹参缓解干旱胁迫

期刊:MicrobiomeDOI:10.1186/s40168-025-02154-2

丹参通过β-榄香酸介导的Paenibacillus富集缓解干旱胁迫的机制研究

一、作者与发表信息
本研究由成都中医药大学西南特色中药资源国家重点实验室的Hong‑Mei Jia、Jie Zhou、Wen‑Cheng Zhao、Dong‑Mei He和Zhu‑Yun Yan共同完成,于2025年发表在*Microbiome*期刊(卷13,文章编号153),遵循知识共享许可协议(CC BY-NC-ND 4.0)。


二、学术背景
全球变暖导致高温和干旱胁迫加剧,严重影响药用植物丹参(*Salvia miltiorrhiza Bunge*)的生长和活性成分积累。尽管微生物可通过增强植物抗逆性缓解胁迫,但气候胁迫下根际微生物群落的变化机制尚不明确。本研究整合16S rRNA扩增子测序、代谢组学及合成微生物群落(SynCom)技术,旨在揭示丹参通过根系分泌物调控微生物组以应对干旱和高温胁迫的分子机制,重点关注关键代谢物β-榄香酸(β-elemonic acid, β-EA)与有益菌*Paenibacillus*的互作。


三、研究流程与方法
1. 实验设计与胁迫处理
- 研究对象:丹参组培苗,种植于灭菌页岩基质中,设置4组处理:对照组(CK,70%基质含水量)、干旱组(D,30%含水量)、高温组(T,40℃/25℃昼夜温度)、复合胁迫组(TD)。每组设3个生物学重复,每重复10株。
- 微生物接种:接种从丹参根际分离的微生物(细菌OD600=0.6,真菌孢子浓度1×10⁷ CFU/mL),制备固体制剂(3×10⁶ CFU/g),每株施用20 g,对照组不接种。

  1. 生理生化指标测定

    • 生物量:测定植株鲜重;叶片含水量(RWC)采用浸泡称重法;光合色素(叶绿素a/b)通过丙酮比色法分析。
    • 抗逆物质:检测丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)、可溶性蛋白(SP)含量;营养元素:H₂SO₄-H₂O₂消解法测根中氮(N)、磷(P)含量。
    • 活性成分:UPLC定量丹参酮类(T-I、T-IIA、CT)和丹酚酸B(SAB)。
  2. 微生物组分析

    • 测序:提取根和叶的DNA,扩增16S rRNA(V5-V7区)和ITS1区,Illumina MiSeq平台测序。
    • 数据处理:使用fastp质量控制,QIIME去嵌合体,TBTools比对自建数据库(相似度>99%)。
    • 共现网络:基于Spearman相关性(|r|>0.8,p<0.001)构建微生物互作网络,Gephi可视化。
  3. 根系分泌物代谢组学

    • 提取:80%甲醇(含0.1%甲酸)提取根际土壤代谢物,LC-MS/MS非靶向分析。
    • 鉴定:Compound Discoverer 3.0匹配mzCloud和OTCML数据库(得分>80)。
  4. 合成群落验证

    • SynCom构建:干旱组(D)接种5株*Paenibacillus*(SynCom SM1),高温/复合胁迫组接种5株*Streptomyces*(SynCom SM2)。
    • β-EA外源实验:干旱胁迫下施加1 μM β-EA,qPCR定量*Paenibacillus*丰度(引物ps-f/ps-r)。

四、主要结果
1. 微生物缓解胁迫的生理效应
- 接种微生物显著提升干旱组生物量(1.43倍)、叶片含水量(D组+13%)及叶绿素a含量(+78%),降低MDA水平,表明微生物通过增强保水性和光合效率缓解胁迫。
- 根际微生物促进营养吸收:TD组根中N/P含量显著高于非接种组。

  1. 微生物群落重组

    • 细菌更敏感:*Paenibacillus*仅在胁迫组富集(干旱组相对丰度从3.41%升至21.87%),而真菌变化不显著(如*Fusarium*占主导但波动%)。
    • 网络分析:干旱组根际微生物共现网络中正相关性占比高(协同作用主导),且*Paenibacillus*为模块中心节点,提示其关键生态功能。
  2. β-EA介导的微生物招募

    • 代谢组学筛选出β-EA为干旱胁迫下显著下调的差异代谢物(相对含量降低87%),且与*Paenibacillus*丰度正相关(|r|>0.65)。
    • 外源β-EA实验证实:干旱条件下,β-EA处理使*Paenibacillus*绝对丰度显著增加,并协同提高丹参生物量及丹参酮含量(如T-IIA增加2.1倍)。

五、结论与价值
1. 科学意义:首次揭示丹参通过分泌β-EA特异性富集*Paenibacillus*以抵御干旱的“呼救”机制,为植物-微生物互作理论提供新证据。
2. 应用价值:β-EA可作为生物刺激剂优化根际益生菌群落,提升药用植物在气候变化下的适应性。


六、研究亮点
1. 多组学整合:结合扩增子测序、代谢组学和SynCom验证,系统性解析胁迫响应机制。
2. 关键代谢物发现:β-EA作为植物源性信号分子调控微生物组的发现具有创新性。
3. 方法学创新:自建本地微生物数据库提高物种注释准确性;OPLS-DA模型精准关联代谢物与微生物丰度。


七、其他价值
研究强调复合胁迫(高温+干旱)的效应非单一胁迫叠加,高温可能主导微生物功能分配策略,为农业生态系统的气候适应性研究提供新视角。

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