干旱胁迫下 2个扁蓿豆品种根际细菌多样性及土壤灭菌对其生长的影响

doi:10.11686/cyxb2024029

摘要/Abstract

摘要：

干旱作为一种严重影响植物生长发育和作物生产的环境因素之一，需要一种高效但不会对环境造成影响的方法来缓解其对植物带来的危害。通常土壤微生物被认为可以与植物进行互作从而改善环境带来的不良影响，但仍需验证在植物受到干旱胁迫时土壤微生物是否可以发挥关键性作用？通过对蒙农2号、蒙农1号扁蓿豆进行灭菌和未灭菌处理，测定其生长表型与生理特性的变化，以揭示土壤微生物在扁蓿豆应对胁迫时所发挥的作用，同时对正常浇水及干旱胁迫后的根际土壤进行16S rRNA高通量测序分析，以期明晰品种介导的扁蓿豆根际微生物对干旱胁迫的响应变化规律，并探究发挥关键作用的菌群。结果表明，干旱胁迫下未灭菌处理显著提高了蒙农2号和蒙农1号扁蓿豆的株高增量、地上干重、地下干重，同时显著降低了脯氨酸（Pro）与丙二醛（MDA）含量，增强了过氧化氢酶（CAT）活性。正常浇水条件下，蒙农2号与蒙农1号扁蓿豆其根际细菌中变形菌门占比分别为72.83%、67.65%，根瘤菌占比分别为5.28%、3.65%；干旱胁迫后蒙农2号与蒙农1号扁蓿豆根际细菌中变形菌门相对丰度下降了8.42%、4.76%，而根瘤菌相对丰度增加了1.69%和2.35%。同时推测根瘤菌为扁蓿豆抗旱相关的核心微生物，并且蒙农2号扁蓿豆在水分充足的情况下根际富集了比蒙农1号更多的根瘤菌，这使得其在受到干旱胁迫时能够更加快速地做出反应。总而言之，研究证明土壤微生物在植物抵抗干旱胁迫中发挥了积极作用，根际微生物可以提高扁蓿豆对干旱胁迫的耐受能力，微生物组成和丰度受干旱胁迫和植物宿主的调节，且各自效果差异较大，进一步说明微生物的富集过程与植物基因型密切相关。

关键词: 扁蓿豆, 干旱胁迫, 根际细菌, 植物-微生物相互作用, 16S rRNA测序

Abstract:

Drought， as one of the environmental factors that severely affects plant development and crop production， requires an efficient but environmentally neutral approach to mitigate its harmful effects on plants. Soil microorganisms are known to interact with plants to ameliorate the adverse effects of environmental factors， but there is still a need to verify whether soil microorganisms play a critical role in protecting plants under drought stress. In this study， to reveal the roles of soil microorganisms in the response of Medicago ruthenica to drought stress， we compared the growth phenotypes and physiological characteristics of two cultivars of M. ruthenica （Mengnong No.2 and Mengnong No.1） growing in sterilized and unsterilized soil under drought stress. In addition， we performed high-throughput sequencing analyses of 16S rRNA extracted from the rhizosphere soils of plants under drought stress or well-watered conditions to detect differences in microbial communities in the rhizosphere of M. ruthenica under drought stress， and to determine which bacterial taxa play a key role in the drought response. The results show that， compared with plants of Mengnong No.1 and Mengnong No.2 growing in sterilized soil， those growing in unsterilized soil showed higher values for plant height， dry weight of aboveground and belowground parts， and catalase activity， and lower values for proline and malondialdehyde contents. Meanhile， in the rhizosphere soils of well-watered plants of Mengnong No.2 and Mengnong No.1， Proteobacteriaaccounted for 72.83% and 67.65% of rhizosphere bacteria， respectively， and Rhizobium accounted for 5.28% and 3.65%， respectively. In Mengnong No.2 and Mengnong No.1 under drought stress， the relative abundance of Proteobacteria in the rhizosphere bacterial community was decreased by 8.42% and 4.76%， respectively， and the relative abundance of Rhizobium was increased by 1.69% and 2.35%， respectively. On the basis of these results， we identified Rhizobium as the core taxon related to drought resistance in M. ruthenica. Under well-watered conditions， Mengnong No.2 had more rhizobia in its rhizosphere than did Mengnong No.1， so it was better able to respond quickly to drought stress. In conclusion， the results of this study demonstrate that the soil microbiome plays an active role in plants’ resistance to drought stress， that rhizosphere microorganisms can improve the drought tolerance of M. ruthenica， and that microbial composition and abundance are regulated by drought stress and the host plant. The large differences in microbial communities in the rhizosphere between the two varieties of M. ruthenica suggest that the process of microbial enrichment is closely related to plant genotype.

Key words: Medicago ruthenica, drought stress, rhizosphere bacteria, plant-microbial interactions, 16S rRNA sequencing

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图/表 7

表1 土壤理化性质

Table 1 Soil physical and chemical properties

pH	有机碳Organic carbon （g·kg^-1）	速效磷Available phosphorus （mg·kg^-1）	速效钾Available potassium （mg·kg^-1）	铵态氮Ammonium nitrogen （mg·kg^-1）	硝态氮Nitrate nitrogen （mg·kg^-1）
8.27±0.03	17.25±0.30	276.98±4.69	11.46±0.55	0.91±0.04	1.17±0.04

图1 干旱胁迫期间两个扁蓿豆品种未灭菌与灭菌处理下生长特性的变化数据为 15 个重复的均值，误差条表示标准差Datas are the mean of 15 replicates， and error bars represent standard deviations； *： P<0.05； **： P<0.01； ***： P<0.001；下同The same below.

Fig.1 Changes in growth characteristics of two M. ruthenica varieties under unsterilized and sterilized treatments during drought stress

图2 干旱胁迫期间两个扁蓿豆品种未灭菌与灭菌处理下生理特性的变化

Fig.2 Changes in physiological characteristics of two M. ruthenica varieties under unsterilized and sterilized treatments during drought stress

图3 两种扁蓿豆在正常浇水和干旱胁迫下根际土壤细菌的变化

Fig.3 Changes of rhizosphere soil bacteria in two M. ruthenica varieties under normal watering and drought stress

图4 基于不同处理条件和扁蓿豆品种的微生物多样性差异分析A：正常浇水和干旱胁迫下M2与M1的根际土壤样本中的重叠和不同的ASV数量Overlapping and different ASV numbers in rhizosphere soil samples of M2 and M1 under normal watering and drought stress； B：基于weighted_unifrac距离的PCoA分析PCoA analysis based on weighted_unifrac distance.

Fig.4 Differences in microbial diversity under different treatment conditions and M. ruthenica varieties

图5 不同水分条件处理下两个扁蓿豆品种根际土壤细菌群落组成的差异A：门分类水平下的细菌群落相对丰度（相对丰度前10）Relative abundance of bacterial communities at phylum taxonomic level （top 10 relative abundances）； B：属分类水平下的细菌群落相对丰度（相对丰度前10）Relative abundance of bacterial communities at genus levels （top 10 relative abundances）； C：前30个属水平下细菌群落的平均相对丰度热图聚类Heatmap clustering of the average relative abundance of bacterial communities at the level of the top 30 genera.

Fig.5 Differences in the composition of rhizosphere soil bacterial communities between two M. ruthenica varieties under different water conditions

图6 根际土壤中鉴定的潜在生物标志物A：属水平下正常浇水时的潜在生物标志物Potential biomarkers for normal watering at the genus level； B：属水平下干旱胁迫时的潜在生物标志物Potential biomarkers under drought stress at the genus level.

Fig.6 Potential biomarkers identified in rhizosphere soils

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