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2019-05-30浏览量:1036

『锐帮读』RNA干扰也会影响植物根系的菌群结构和代谢物组成?

导读

纤维素合成和细胞壁形成是调节植物结构和功能的重要过程。细胞壁组成的差异导致生理变化如应激反应、水分运输、生长速率的改变。因此,细胞壁结构对植物发育和全面健康有较强的调控作用。通过基因修饰、细胞壁途径或碳代谢基因的选择,是先进生物能源原料改良中广泛使用的策略。已有报道表明杨树RNA干扰调控KORPdKOR1PdKOR2)基因下调会导致纤维素、木质素和可溶性糖含量降低,纤维素结晶度和分类共轭物提高。在此背景下,该研究对PdKOR1基因下调对根次生代谢组学、根际微生物以及根内微生物群落进行了详细研究。

 

文献ID

题目:Modivication of plant cell wall chemistry impacts metabolome and microbiome composition in Populus PdKOR1 RNAi plant

译名:植物细胞壁化学修饰影响PdKOR1基因RNA干扰下的杨树根系代谢物和菌群组成

杂志:Plant and Soil   IF:3.7

发表时间:2018年

通讯作者:Udaya C.Kalluri

 

材料与方法

1、转基因植物产生和组织收集

PdKOR1基因的3' UTR区域扩增出一个约200 bp长的片段,与三角叶藻PdKOR2基因部分同源,将其克隆到载体pAGSM552中,在泛素启动子控制下表达,然后转化到三角叶藻“WV94”进行RNAi敲除。从PdKOR1 RNAi和3个独立的ramets(复制植株)中获得细根,根组织与附着根际的土壤立即放于干冰上冷冻,运输到实验室,在-80℃下保存直至提取。从每个样本中分离出细根用于微生物组和代谢组分析。对于微生物组分析,用无菌水清洗细根,离心收集根际土,然后进行表面消毒,以备提取根内DNA。

 

2、代谢组检测

采用气相色谱-质谱联用技术分析根组织代谢物。

 

3、微生物组检测

16SrDNA测序:Illumina Miseq,V4区

ITS测序:Illumina Miseq,ITS2区

 

4、Pantoea接种实验

采用Pantoea sp. YR343作为接种物进行共培养实验。

 

研究成果

1、代谢物图谱

从细根组织中共检测出171种代谢物。其中,51种(31%)代谢物在PdKOR1 RNAi植株和对照植株细根中存在丰度上的显著差异(表1),这部分代谢物中有些是咖啡酸衍生物(表1)。有趣的是,某些衍生物在PdKOR1 RNAi植株细根中并未检出,但却存在于对照组中。咖啡酸衍生物,特别是莽草酸咖啡酰偶联物在RNAi组织中显著上调,而在对照根组织中浓度非常低。此外,棕榈酸、二十二酸(参与脂肪酸代谢)、水杨酸相关代谢物、黄酮类代谢物等在PdKOR1 RNAi植株中有更高浓度,而缬氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、丙氨酸、丝氨酸的含量在实验组中显著降低(表1)。

 

表1 PdKOR1 RNAi及对照组根部代谢物差异分析

 

2、微生物多样性和群落结构

根际比根内拥有更大的细菌和真菌多样性(表2)。根际微生物的优势菌群分别是α变形菌和放线菌,而根内微生物则以放线菌、α变形菌和γ变形菌为主(图1)。对照组根际微生物比PdKOR1 RNAi组根际微生物有更高丰度的消化螺旋菌。PdKOR1 RNAi组根际菌群中子囊菌门相对丰度显著降低,担子菌门相对丰度显著提高(图1)。

对于根内微生物,小单孢菌科和游动放线菌属相对丰度在PdKOR1 RNAi组显著提高,但真菌方面,实验组和对照组并无显著区别。

PCA图分析表明细菌、真菌群落组成在根际根内和转基因株系中存在差异(图2)。更多的微生物群落组成差异可由生境效应来解释。从图2c-d可以看出,无论是细菌还是真菌,根际菌还是根内菌,PdKOR1 RNAi组和对照组都有非常多的特有OTUs。

 

表2 微生物多样性评估和转基因品系取样覆盖率统计

图1 PdKOR1 RNAi组和对照组根际土、根内菌群在细菌、真菌水平上优势菌相对丰度柱状图

 

图2 PdKOR1 RNAi组和对照组根际土、根内菌群PCA图和韦恩图(图a:古菌/细菌PCA图;图b:真菌PCA图;图c:细菌韦恩图;图d:真菌韦恩图)

 

3、Pantoea sp. YR343株系的定殖

该研究发现Pantoea sp. YR343的定殖效应在PdKOR1 RNAi组中被显著削弱(图3)。表明PdKOR1 基因下调和由此导致的表型变化对杨树根系泛菌定殖产生负面影响。

 

图3 对照组和具有泛菌YR343-GFP的PdKOR1 RNAi组三角叶杨根部定植的共聚焦成像

 

研究结论

该研究表明杨树细胞壁通过PdKOR1基因的下调修饰影响根部碳代谢以及根际微生物组成的伴随改变。了解生物质化学改良工作的功能和生态学作用对于实现可持续生物能源作物生产和管理的目标至关重要。

 

亮点

研究视角独特,将RNAi技术、代谢组、微生物组检测技术巧妙结合,通过小样本量揭示科学问题。

 

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