李小冬,王小利,陳錫,蔡璐,曾慶飛,舒健虹,蔡一鳴
(貴州省農業(yè)科學院草業(yè)研究所,貴州 貴陽 550006)
轉錄組解析白三葉根際溶磷菌株RW8的解磷機制
李小冬,王小利,陳錫,蔡璐,曾慶飛,舒健虹,蔡一鳴*
(貴州省農業(yè)科學院草業(yè)研究所,貴州 貴陽 550006)
采用轉錄組測序的方法分析了白三葉根際溶磷菌RW8在含有難溶磷(A組)、可溶磷(B組)與無磷(C組)培養(yǎng)條件下差異基因表達。以可溶磷為對照,在難溶磷條件下,分別檢測到4782個基因在RW8中上調表達,447個基因下調表達;在無磷組中,共檢測到3630個基因上調表達,209個基因下調表達。GO基因注釋發(fā)現(xiàn)RW8在A組和C組中的差異基因聚類基本相同。生物學過程主要聚類在代謝過程、細胞過程、單細胞過程、刺激應答、定位以及生物反應調節(jié);細胞組分主要聚類在細胞組分、細胞膜、膜組分與高分子配合體等;分子功能主要聚類在催化活性、結合功能與轉運功能。代謝途徑分析發(fā)現(xiàn)2-α-氧代羧、α-亞麻酸、五碳二元酸、脂肪酸、甘氨酸-絲氨酸-蛋氨酸以及纈氨酸-亮氨酸-異亮氨酸等代謝途徑的基因顯著被富集。挑選10個差異基因并用熒光定量檢測其在A、B、C 3種不同培養(yǎng)條件下的基因表達,發(fā)現(xiàn)所有挑選基因的表達變化與轉錄組結果變化趨勢相同。液相色譜檢測有機酸組成及含量,發(fā)現(xiàn)在A組和C組中乳酸、琥珀酸與檸檬酸顯著高于B組,富馬酸與蘋果酸的含量在C組中顯著升高, A組與B組差異不顯著;α-酮戊二酸的含量在A組中顯著增高, B組和C組差異不顯著。
溶磷菌;白三葉;轉錄組;RW8;有機酸
植物根際促生細菌是指定殖在植物根際、根內或自由生活在土壤中并對植物生長、抵抗逆境脅迫和增加作物產(chǎn)量有積極作用的微生物[1]。固氮菌、溶磷菌、分泌植物激素菌以及具有多種功能的復合菌是目前根際促生菌研究的熱點[2]。隨著污染日益嚴重,利用優(yōu)良促生菌株研制環(huán)境友好型菌肥用以替代化學肥料、改良土質、增進土壤肥力是新型生態(tài)肥料的發(fā)展方向之一[3]。
豆科牧草與根瘤菌共生,可固定大氣中的氮氣為自身提供氮素營養(yǎng),往往含有較高的粗蛋白;同時作為綠肥對改良土壤與提高土壤肥力有積極作用。近年來,豆科牧草根際微生物(尤其是固氮菌)的研究較多,主要集中在根瘤菌的分離鑒定[4]及資源庫的建立以及不同資源的比較[5-6]等方面,而對于溶磷菌的研究還比較少。以往的研究發(fā)現(xiàn)溶磷菌不僅可為豆科牧草提供必需的營養(yǎng),還影響豆科植物的結瘤及固氮能力,協(xié)同促進植物對鉀、鈣、鎂等營養(yǎng)元素的吸收[7]。然而溶磷微生物的溶磷過程非常復雜,加之種類豐富,溶磷機理也具有菌種特異性。馬文彬[3]總結了溶磷菌解磷主要是與酸解作用、酶解作用以及蛋白質作用等途經(jīng)相關,而龔明波[8]認為主要是由有機酸、溶磷酶、H+釋放、氧化還原物質與其他溶磷物質(蛋白質、多糖、氨基酸等),然而這些結論是基于表型或者生理研究獲得,其相應的分子機制研究還較少。
溶磷菌分子生物學研究開展較早,Goldstein等[9]從草生歐文菌(Erxwiniaherbicola)中克隆毗咯并喹啉醌合成基因pqqE,并證明其有溶解無機磷的能力。Babukhan等[10]從洋蔥假單胞菌(Pseudomonascepacia)中克隆基因gabY,其與pqqE基因不是同一類基因[11-12]。pqqE與gabY基因都與溶解土壤中的無機磷有關,有機磷降解的基因主要分為酸性磷酸酶(acpA、phoC和napA)、堿性磷酸酶(phoA和phoB)和肌醇六磷酸酶基因(phy)[8,13-14]。最近的研究發(fā)現(xiàn)大豆根際溶磷菌解磷能力與葡萄糖脫氫酶(GDH)相關[15],然而通過組學研究溶磷菌解磷機制的報道還比較少,本研究以前期鑒定的白三葉根際溶磷菌RW8為基礎,采用轉錄組學的方法分析了RW8在含難溶磷、可溶磷以及無磷培養(yǎng)基中的基因表達差異,發(fā)現(xiàn)RW8解磷機制與有機酸代謝通路緊密相關。本研究為在南方巖溶山區(qū)開展磷高效利用,建立低磷投入的生態(tài)農場奠定基礎。
1.1 溶磷菌RW8培養(yǎng)
溶磷菌RW8菌株是2010年10月貴州省草業(yè)研究所從白三葉根際土壤樣品分離獲得,經(jīng)鑒定為陰溝腸桿菌(Enterobactercloacae)。為進一步分析RW8溶磷機制,將RW8分別接種在含有3種不同磷源的培養(yǎng)基中,每種培養(yǎng)條件接種3個重復,28 ℃、150 r/min振蕩培養(yǎng)7 d;10000 r/min室溫離心10 min收集菌體,提取不同生長條件下RW8溶磷菌的RNA,保存在-80 ℃冰柜中待測。培養(yǎng)基配方,A)難溶性磷培養(yǎng)基:3 g/L Ca3(PO4)2,10 g/L葡萄糖,0.5 g/L (NH4)2SO4,0.2 g/L NaCl,0.2 g/L KCl,0.03 g/L MgSO4·7H2O,0.03 g/L MnSO4,1000 mL無菌水,0.003 g/L FeSO4·7H2O,pH值6.8。B)可溶性磷培養(yǎng)基:用3.02 g/L NaH2PO4·2H2O 代替3 g/L Ca3(PO4)2,其他成分與難溶培養(yǎng)基相同。C)無磷培養(yǎng)基:用6.85 g/L Ca(NO3)2·4H2O代替3 g/L Ca3(PO4)2,其他成分與難溶培養(yǎng)基相同。
1.2 RNA提取與文庫構建
用Trizol試劑提取3種培養(yǎng)條件下RW8的總RNA,采用安捷倫分析儀(Bioanalyzer 2100)分析濃度與完整性后,將相同培養(yǎng)條件的3份RNA樣品(生物學重復)混為1份樣品,用Oligo-dT磁珠提取mRNA,并利用隨機6堿基引物反轉錄成cDNA第一鏈,第二鏈合成采用DNA聚合酶I 和RNaseH。隨后經(jīng)過T4DNA聚合酶等進行末端補齊,在T4DNA快速連接酶作用下與測序接頭鏈接,隨后進行凝膠電泳,分離回收目標片斷條帶,經(jīng)安捷倫分析儀(Bioanalyzer 2100)分析合格后采用Illumina HiSeq 2500進行測序分析,測序在華大基因完成。
1.3 序列組裝與功能注釋
轉錄組數(shù)據(jù)采用Trinity軟件進行組裝[16],獲得的序列稱為功能基因(Unigene),利用聚類軟件對功能基因家族進行聚類分析,并將功能基因分成2類,一類以“comp”為前綴,與聚類ID一起命名。另一類以“Unigene”為前綴,與聚類ID號一起命名。將獲得的功能基因與NR(Non-Redundant GenBank)、KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes)等數(shù)據(jù)庫進行比對,選取最佳的比對結果用于功能基因的注釋。
1.4 差異表達基因鑒定與功能聚類
差異表達基因的鑒定參考Audic等[17]的研究方法,采用FDR統(tǒng)計方法同時分析不同樣品的 FPKMs[18],F(xiàn)DR值越小,差異表達變化的可信度越大,本研究差異基因的篩選標準為FDR≤0.001,并且表達差異變化≥2倍的基因。在基因注釋數(shù)據(jù)庫(http://www. geneontology. org/)對差異基因注釋并統(tǒng)計每個注釋項目的數(shù)目,同時利用Blastall程序在KEGG數(shù)據(jù)庫分析差異基因的代謝通路。在全基因組背景條件下,用超幾何測算分析GO注釋中富集的注釋項目以及KEGG中富集的代謝通路。
1.5 RNA提取與熒光定量分析
RNA提取與反轉錄PCR參考文獻[19],參照1.1培養(yǎng)10 mL菌液,采用Axygen RNA試劑盒(AP-MN-MS-RNA-50)提取RNA,cDNA第一鏈合成采用RevertAid First Strand cDNA Synthesis Kit,具體操作過程參照試劑盒說明書。熒光定量PCR利用Eppendorf Replax 2完成,利用稀釋20倍的cDNA作為模板,熒光定量引物利用在線軟件http://www.idtdna.com/Scitools/Applications/Primerquest設計,引物序列參照表1。PCR的程序為:95 ℃ 3 min,95 ℃ 15 s,56 ℃ 10 s,72 ℃ 30 s,45個循環(huán),72 ℃ 10 min,從65 ℃緩慢升溫95 ℃,每0.5 ℃收集一次熒光信號用于制作溶解曲線,采用2-ΔΔct算法,每個樣品3個生物學重復,每個生物學重復3個技術重復,16S rDNA被用作內參。
表1 熒光定量引物
1.6 液相色譜分析有機酸的含量
參照1.1的方法在3種不同磷源的培養(yǎng)基中培養(yǎng)RW8溶磷菌株,28 ℃、150 r/min振蕩培養(yǎng)7 d;10000 r/min室溫離心10 min收集上清培養(yǎng)液,用0.45 μm的微孔濾膜過濾。取20 μL的樣品上機檢測。采用高效液相色譜(HPLC)分析有機酸的含量,色譜柱為十八烷基硅烷鍵合硅膠填料(C-18,150×3.9 mm,walers),流動相為pH=2.65的雙蒸水(磷酸調配),流速為0.4 mL/min,柱溫20 ℃。根據(jù)標準品峰圖比對結果測定不同培養(yǎng)條件下RW8菌株的有機酸分泌量。
1.7 數(shù)據(jù)分析
采用Excel 2010進行數(shù)據(jù)分析與作圖,采用PowerPoint 2010進行圖片排版。
2.1 磷菌RW8轉錄組序列分析
分別從含有難溶磷(A)、可溶磷(B)與無磷(C)培養(yǎng)條件下的RW8菌株中提取3組RNA樣品,分別進行建庫后采用Illumina HiSeq 2500測序分析。A、B、C三個文庫分別獲得26313180、16279622與18762865條序列,Q30值(測序準確性的衡量指標)分別為94.30%、93.99%與93.87%。采用Trinity軟件組裝測序文件,一共獲得9097個序列重疊群,平均長度為946.62 bp,GC含量為55.37%(表2)。
2.2 差異基因統(tǒng)計與功能注釋GO聚類分析
與可溶性磷(B組)相比,RW8在含難溶磷培養(yǎng)條件下(A組)共檢測到4782個基因上調, 447個基因下調表達;在無磷條件下(C組)共檢測到3630個基因上調表達,209個基因下調表達。通過GO功能聚類對RW8在不同磷源條件下的差異基因按照GO的生物學過程、細胞組分與分子功能3個主要類別進行分類。
表2 不同培養(yǎng)條件下RW8測序結果
U-P: 難溶性磷Un-soluble phosphorus; S-P: 可溶性磷Soluble phosphorus; N-P: 無磷None phosphorus; 下同The same below.
生物學過程聚類比較發(fā)現(xiàn),與B組對比發(fā)現(xiàn), A組上調基因數(shù)目遠遠大于下調基因,但是兩者超過70%的差異基因都集中在代謝過程、細胞過程與單細胞過程這3項,之后依次為刺激應答、定位與生物反應調節(jié)這3項(圖1A)。C組與A組類似,上調基因數(shù)目顯著大于下調基因數(shù),生物學過程聚類發(fā)現(xiàn)超過70%的基因集中在代謝過程、細胞過程與單細胞過程這3項,其次依次為定位、刺激應答與生物反應調節(jié)這3項(圖1B)。
細胞組分聚類分析發(fā)現(xiàn), A組超過60%的差異基因能定位到細胞組分,上調基因主要定位于細胞膜、膜組分與高分子配合體,而下調基因主要定位于高分子配合體、細胞膜與膜組分等(圖2A),C組差異基因細胞組分聚類總體趨勢與A組基本相同,但在C組中的下調基因在高分子配合物、細胞器以及細胞器組分中的富集程度相對沒有A組明顯(圖2)。
分子功能聚類分析發(fā)現(xiàn), A組與C組的上調基因主要聚類到催化活性、結合功能與轉運功能這3項(圖3)。而A組下調基因中的結構分子聚類組顯著被富集,C組的下調基因中轉運功能聚類組被顯著富集(圖3)。
2.3 差異基因代謝途經(jīng)分析
為進一步研究差異基因參與的代謝途徑,將所有的差異基因在KEGG數(shù)據(jù)庫中分析,發(fā)現(xiàn)有機酸代謝通路顯著富集,其中2-α-氧代羧代謝,α-亞麻酸代謝,五碳二元酸代謝,脂肪酸代謝,甘氨酸-絲氨酸-蛋氨酸代謝以及纈氨酸-亮氨酸-異亮氨酸代謝等途徑的基因顯著上調。
在2-α-氧代羧代謝途徑中,與乙?;緩斤@著相關的基因顯著被上調(至少在1組中差異達顯著水平),其中包括乙酰乳酸合成酶及其同工酶(6個)、乙酰醇酸還原異構酶(1個)、乙酰琥珀酸轉氨酶(1個)、乙酰氨基轉移酶(1個)以及N-乙?;?γ-谷氨酰磷酸還原酶(1個)。與B組相比,A組與C組基因的表達變化趨勢基本相同,其中檸檬酸合成途徑的基因表達變化在A組與C組中上調幅度都較大,而乙酰乳酸合成酶在A組中相對較高(表3)。除此之外,與2-α-氧代羧代謝途徑緊密相關的氨基酸包括天冬氨酸、精氨酸、谷氨酸、苯胺酸等相關的關鍵酶的基因表達都被上調表達(表3)。
圖1 RW8在難溶磷(A)與無磷(B)條件下差異基因的生物學過程聚類分析Fig.1 Biological process ontology of RW8 genes under culture mediums with un-soluble phosphorus (A) and without phosphorus (B)U-P: 難溶性磷Un-soluble phosphorus; N-P: 無磷None phosphorus; 下同The same below.
脂肪酸代謝途徑中,脫氫酶類與硫解酶類基因顯著被上調(至少在1組中差異達顯著水平)。脫氫酶包括7個乙醇脫氫酶、3個醛醇脫氫酶、4個?;o酶A脫氫酶以及1個戊二酰輔酶A脫氫酶。硫解酶類包括5個3-酮脂酰輔酶A硫解酶、1個β-酮硫解酶以及1個β-酮己二酰輔酶A硫解酶。除此之外,還有4個乙酰-CoA乙酰基轉移酶、2個長鏈脂肪酸-輔酶A連接酶、2個脂肪酸氧化復合物α亞基、1個?;o酶A氧化酶與1個烯酰-CoA水合酶被上調表達(表4)。與2-α-氧代羧代謝途徑類似, A組與C組基因的表達變化趨勢基本相同,都呈上調表達,但富集數(shù)目最多的脫氫酶、硫解酶與乙酰-CoA乙?;D移酶基因在C組中的上調幅度高于A組(表4)。
在2-α-氧代羧代謝途徑與脂肪酸代謝途徑中,都發(fā)現(xiàn)了一部分基因只特異的在C組中差異表達而在A組表達差異不顯著。這些基因分布在不同基因家族,包括乙酰乳酸合成酶同工酶1大亞基、乙酰/琥珀轉氨酶、乙酰氨基轉移酶、異檸檬酸脫氫酶、醛醇脫氫酶、P-450/ NADPH-P450還原酶、乙醇脫氫酶、?;o酶A氧化酶等多種,這些基因可能在難溶性磷溶解后的吸收過程中起十分重要的作用(表3,表4)。
圖2 RW8在難溶磷(A)與無磷(B)條件下差異基因的細胞組分聚類分析Fig.2 Cellular component ontology of RW8 genes under culture mediums with un-soluble phosphorus (A) and without phosphorus (B)
2.4 熒光定量分析
為驗證轉錄組數(shù)據(jù)的可靠性,從2-α-氧代羧代謝與脂肪酸代謝這2條主要途徑中挑選候選10個基因進行熒光定量表達驗證,其中除了3-酮脂酰輔酶A硫解酶(comp20313_c0)與超長鏈特異性的?;o酶A脫氫酶(comp28850_c0)只在無磷組中上調表達外,其余挑選基因在難溶磷和無磷組都顯著高于可溶磷組(圖4),熒光定量的總體變化趨勢與轉錄組數(shù)據(jù)吻合。
圖3 RW8在難溶磷(A)與無磷(B)條件下差異基因的分子功能聚類分析Fig.3 Molecular function ontology of RW8 genes under culture mediums with un-soluble phosphorus (A) and without phosphorus (B)
2.5 有機酸含量的測定
轉錄組與熒光定量結果都表明RW8的有機酸合成的關鍵基因表達在A和C組中都顯著上調表達,而且在前期定性測定中發(fā)現(xiàn),培養(yǎng)基中的總有機酸含量在接種RW8菌種后顯著增加,但具體是哪種有機酸還沒深入研究,采用液相色譜技術分析了有機酸的組成與含量,與B組相比,RW8的乳酸、琥珀酸與檸檬酸含量在A與C組中顯著增加(P<0.05,圖5),富馬酸與蘋果酸的含量在C組中顯著升高(P<0.05,圖5),但A與B組差異不顯著;α-酮戊二酸的含量在A組中顯著增高(P<0.05,圖5),而在B和C組中只有痕量的α-酮戊二酸能被檢測到,并且兩者差異不顯著(P>0.05,圖5)。
表3 2-α-氧代羧代謝途徑差異基因表
注:NA表示沒有對應基因表達值在U-P與N-P之間不能取對數(shù)分析,Yes表示比較組之間差異顯著,No表示比較組之間差異不顯著,下同。
Note:NA stands for the gene expression value was unable to be expressed as log 2. Yes/No stand for a significant/insignificant difference were detected, the same below.
表4 脂肪酸代謝途徑差異基因
圖4 熒光定量PCR分析2-α-氧代羧與脂肪酸代謝途徑基因差異表達Fig.4 Quantitative expression analysis of selected genes related to 2-oxocarboxylic acid metabolism and fatty acid metabolism
圖5 液相色譜分析RW8在3種不同培養(yǎng)條件下有機酸含量與種類的變化Fig.5 Different organic acid concentration of RW8 cultured in three different medium detected by liquid chromatography-mass spectrometry
*表示差異在P<0.05水平顯著。* stands for a significant difference atP<0.05 level.
植物在自然生長環(huán)境中存在大量微生物,最近的研究表明土壤益生菌與植物之間存在廣泛的相互作用,有些能夠廣譜地促進植物生長,有些具有物種特異性[20]。溶磷菌是植物最重要的促生微生物之一,其種類與數(shù)量很多,有超過5種真菌和13種細菌被報道具有溶磷能力[7,21-23]。不同菌株的解磷能力主要受遺傳特性、 培養(yǎng)條件與培養(yǎng)時間等因素的影響[24]。本研究利用的RW8菌種屬于陰溝腸桿菌,前人研究發(fā)現(xiàn)腸桿菌屬的溶磷菌對無機磷和有機磷都有很好的溶解能力, 并已被開發(fā)為生物菌肥[25]與有機農藥降解菌[26]。 然而, 其解磷機制特別是從基因組或轉錄組的水平解析其機理的研究還較少,本研究通過比較分析RW8在含有難溶磷、可溶磷與無磷培養(yǎng)條件下的基因表達與代謝通路等差異,為發(fā)現(xiàn)RW8應答低磷脅迫與促進難溶磷溶解等生物學過程奠定分子基礎,對其他菌種開展類似研究有一定的借鑒意義。
與可溶磷相比,在含有難溶磷和無磷的培養(yǎng)條件下,RW8差異基因的GO聚類基本相同(圖1~3),說明RW8可能在生長的早期經(jīng)歷了一個與無磷培養(yǎng)條件類似的低磷脅迫。難溶磷與無磷共同變化的基因可能參與低磷脅迫誘導,而兩者之間差異基因可能是潛在參與難溶磷溶解的關鍵基因?;诖嗽O想,難溶磷降解基因可能與代謝過程的定位和刺激應答相關(圖1),主要定位于細胞膜、高分子配合體、細胞器及其組分(圖2),參與轉運與結構分子等生物學功能(圖3),更精確的結果還有待后續(xù)研究證明。
酸解作用途徑被認為是溶磷機理的主要方面[27-28],在之前的研究中發(fā)現(xiàn)RW8解磷與其分泌有機酸緊密相關,本研究發(fā)現(xiàn)多條與有機酸緊密相關的代謝通路基因被上調表達,并重點分析了2-α-氧代羧代謝途徑與脂肪酸代謝途徑,與GO聚類類似,差異基因在難溶磷與無磷組中的變化總趨勢相同,但也有部分基因只在難溶磷或無磷組中差異顯著(表3~4),說明其可能參與了低磷脅迫誘導與難溶磷降解。
溶磷真菌主要分泌乳酸、草酸、丙二酸等,而溶磷細菌主要分泌葡萄糖酸、乳酸、草酸、2-酮戊二酸、蘋果酸、檸檬酸和琥珀酸等[29]。RW8主要檢測到了乳酸、琥珀酸、檸檬酸、蘋果酸、富馬酸和2-酮戊二酸(圖5),符合其為溶磷細菌特征。在所檢測到的有機酸中,乳酸、琥珀酸與檸檬酸在難溶磷和無磷組中都顯著受低磷誘導,而富馬酸與蘋果酸只在難溶磷組中受誘導(圖5),說明乳酸、琥珀酸與檸檬酸受誘導需要磷元素含量的閾值較高,而富馬酸與蘋果酸需要的閾值較低。2-酮戊二酸只在難溶磷中顯著被誘導,其可能是RW8降解難溶磷的主要功能有機酸(圖5),因為不同的有機酸在解磷過程中的功能存在顯著差異,并且具有菌種特異性[30-31]。
References:
[1] Malik K A, Bilal R, Mehnaz S,etal. Association of nitrogen-fixing, plant-growth-promoting rhizobacteria (PGPR) with kallar grass and rice. Plant and Soil, 1997, 194(1/2): 37-44.
[2] Guan P. The Effect of PGPR Fertilizers on the Growth and Quality of Alfalfa under the Different Soil Conditions[D]. Harbin: Harbin Normal University, 2014. 管鵬. 施用 PGPR 菌肥對不同土壤條件下的苜蓿生長及品質的影響[D]. 哈爾濱: 哈爾濱師范大學, 2014.
[3] Ma W B. Screening Plant Growth Promoting Rhizobacteria Resources and their Characteristics of Legumes[D]. Lanzhou: Gansu Agriculture University, 2015. 馬文彬. 9種豆科牧草根際促生菌篩選及特性研究[D]. 蘭州: 甘肅農業(yè)大學, 2015.
[4] Wang X C, Ma X T, Han M,etal. Screening of rhizobia of common vetch (Viciasativa) in Qinghai, and assessment of symbiont salt tolerance. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(8): 145-153. 王雪翠, 馬曉彤, 韓梅, 等. 青海箭筈豌豆根瘤菌的篩選及其共生體耐鹽性研究. 草業(yè)學報, 2016, 25(8): 145-153.
[5] Li Y M, Zhong Y Z, Tan Y,etal. Diversity of rhizobia nodulatingAstragalussinicus,MedicagosativaandTrifoliumrepensin nodulated soybean rhizosphere soil in Sichuan. Chinese Journal of Applied & Environmental Biology, 2015, 21(2): 234-241. 李艷梅, 鐘宇舟, 譚淵, 等. 四川地區(qū)結瘤大豆根際土壤中紫云英、苜蓿和三葉草根瘤菌的多樣性分析. 應用與環(huán)境生物學報, 2015, 21(2): 234-241.
[6] Wu T, Yao H Y, Mo B T,etal. The category and distribution of arbuscular mycorrhizal fungi from the rhizosphere of eight cultivated Leguminous shrubs. Pratacultural Science, 2016, 33(2): 210-218. 吳濤, 姚紅艷, 莫本田, 等. 8種豆科灌木栽培種叢枝菌根真菌種類及分布. 草業(yè)科學, 2016, 33(2): 210-218.
[7] Peix A, Rivas-Boyero A A, Mateos P F,etal. Growth promotion of chickpea and barley by a phosphate solubilizing strain ofMesorhizobiummediterraneumunder growth chamber conditions. Soil Biology & Biochemistry, 2001, 33(1): 103-110.
[8] Gong M B. Screening and Application of Phosphate-dissolving Stains and Its Gene Cloning and Identification[D]. Beijing: Graduate School of Chinese Academy of Agriculture Sciences, 2011. 龔明波. 溶磷微生物分離、應用及其相關基因的克隆與功能鑒定[D]. 北京: 中國農業(yè)科學院, 2011.
[9] Goldstein A H, Liu S T. Molecular cloning and regulation of a mineral phosphate solubilizing gene fromErwiniaherbicola. Nature Biotechnology, 1987, 5(1): 72-74.
[10] Babukhan S, Yeo T C, Martin W L,etal. Cloning of a mineral phosphate-solubilizing gene fromPseudomonascepacia. Applied & Environmental Microbiology, 1995, 61(3): 972-978.
[11] Zhao K. Phosphorus Dissolving Aspects of Phosphobaeteria YM3-2S and Phosphorus Dissolving Gene Cloning[D]. Ya’an: Sichuan Agriculture University, 2007. 趙珂. 溶磷菌YM3-2S溶磷特性及溶磷基因的克隆[D]. 雅安: 四川農業(yè)大學, 2007.
[12] Rodríguez H, Rossolini G M, Gonzalez T,etal. Isolation of a gene fromBurkholderiacepaciaIS-16 encoding a protein that facilitates phosphatase activity. Current Microbiology, 2000, 40(6): 362-366.
[13] Sajidan A, Farouk A, Greiner R,etal. Molecular and physiological characterisation of a 3-phytase from soil bacteriumKlebsiellasp. ASR1. Applied Microbiology & Biotechnology, 2004, 65: 110-118.
[14] Idriss E E, Makarewicz O, Farouk A,etal. Extracellular phytase activity ofBacillusamyloliquefaciensFZB45 contributes to its plant-growth-promoting effect. Microbiology, 2002, 148(7): 2097-2109.
[15] Yang M Y, Wang C H, Wu Z H,etal. Phosphorus dissolving capability, glucose dehydrogenase gene expression and activity of two phosphate solubilizing bacteria. Acta Microbiologica Sinica, 2016, 56(4): 651-663. 楊美英, 王春紅, 武志海, 等. 不同條件下兩株溶磷菌溶磷量及葡萄糖脫氫酶基因表達與酶活分析. 微生物學報, 2016, 56(4): 651-663.
[16] Grabherr M G, Haas B J, Yassour M,etal. Full-length transcriptome assembly from RNA-Seq data without a reference genome. Nature Biotechnology, 2011, 29(7): 644-652.
[17] Audic S, Claverie J M. The significance of digital gene expression profiles. Genome Research, 1997, 7(10): 986-995.
[18] Mortazavi A, Williams B A, Mccue K,etal. Mapping and quantifying mammalian transcriptomes by RNA-Seq. Nature Methods, 2008, 5(7): 621-628.
[19] Li X D, Shu J H, Yu E R,etal. Proteomic analysis of nitrogen stress responsive proteins in the leaves of tall fescue. Acta Prataculturae Sinica, 2016, 25(3): 67-76. 李小冬, 舒健虹, 于二汝, 等. 高羊茅在低氮脅迫下的蛋白組學分析. 草業(yè)學報, 2016, 25(3): 67-76.
[20] Schenk P M, Carvalhais L C, Kazan K. Unraveling plant-microbe interactions: can multi-species transcriptomics help. Trends in Biotechnology, 2012, 30(3): 177-184. [21] Hu X F, Guo J Y, Zhang N,etal. Screening of a phosphate solubilizing and disease inhibiting bacteria strain and studies on its P-solubilizing characteristics. Scientia Agricultura Sinica, 2010, 43(11): 2253-2260. 胡曉峰, 郭晉云, 張楠, 等. 一株溶磷抑病細菌的篩選及其溶磷特性. 中國農業(yè)科學, 2010, 43(11): 2253-2260.
[22] Li L X. Effect of Dissolving Phosphorus Fungi on Soil Phosphorus Forms and Enzyme Activity and Rape Production in Reclamed Soil of Mining Area[D]. Taigu: Shanxi Agricultural University, 2014. 李林軒. 溶磷真菌對礦區(qū)復墾土壤磷形態(tài)、酶活性及油菜產(chǎn)量的影響[D]. 太谷: 山西農業(yè)大學, 2014.
[23] Chen K, Li J S, Yang H T,etal. Phosphate solubilizing abilities ofBacillusmegateriumstrain P1 and its fermentation conditions. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2010, (4): 73-76. 陳凱, 李紀順, 楊合同, 等. 巨大芽孢桿菌P1的解磷效果與發(fā)酵條件研究. 中國土壤與肥料, 2010, (4): 73-76.
[24] Yang H. Isolation, Identification of High-Effective Phosphate-Solubilizing Strains and Their Effects on Insoluble Phosphate Solubilization[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2007. 楊慧. 溶磷高效菌株篩選鑒定及其溶磷作用研究[D]. 北京: 中國農業(yè)科學院, 2007.
[25] Li X J, Wu F G, Wang B X,etal. The identification and application of a phosphorus-solubilizing bacteria in tabacco. Henan Agriculture Science, 2011, 40(6): 66-70. 李曉舉, 吳風光, 王豹祥, 等. 一株烤煙根際解磷細菌的鑒定及其在烤煙生產(chǎn)中的應用. 河南農業(yè)科學, 2011, 40(6): 66-70.
[26] Lin K M, Guan X F, Ma L N,etal. Organophosphorus pesticide degrading bacteria-the biological characteristics ofEnterobacterclaocae. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2008, 24(9): 382-386. 林抗美, 官雪芳, 馬麗娜, 等. 有機磷農藥降解菌——陰溝腸桿菌的生物學特性. 中國農學通報, 2008, 24(9): 382-386.
[27] Illmer P, Barbato A, Schinner F. Solubilization of hardly-soluble AlPO4with P-solubilizing microorganisms. Soil Biology & Biochemistry, 1995, 27(3): 265-270.
[28] Patel D K, Archana G, Kumar G N. Variation in the nature of organic acid secretion and mineral phosphate solubilization byCitrobactersp. dhrss in the presence of different sugars. Current Microbiology, 2008, 56(2): 168-174.
[29] Gyaneshwar P, Kumar G N, Parekh L J,etal. Role of soil microorganisms in improving P nutrition of plants. Plant and Soil, 2002, 245: 83-93.
[30] Gyaneshwar P, Kumar G N, Parekh L J. Effect of buffering on the phosphate-solubilizing ability of microorganisms. World Journal of Microbiology & Biotechnology, 1998, 14(5): 669-673.
[31] Prasanna N D, Vijayalakshmi K, Shaheen S K,etal. Screening and isolation of phosphate solubilizingPseudomonasstutzeri(EGB3) from gut of earthworm (Eiseniafoetida): solubilization as influenced by organic acids. Journal of Pure & Applied Microbiology, 2010, 4(2): 717-723.
Transcriptome profiling analysis of the phosphate-solubilizing mechanism of the white clover rhizosphere strain RW8
LI Xiao-Dong, WANG Xiao-Li, CHEN Xi, CAI Lu, ZENG Qing-Fei, SHU Jian-Hong, CAI Yi-Ming*
GuizhouAcademyofAgricultureScience,GuizhouInstituteofPrataculture,Guiyang550006,China
We conducted transcriptome sequencing of the white clover (Trifoliumrepens) rhizosphere phosphorus-solubilizing bacterium RW8 to explore its gene expression profiles. Cells of RW8 were cultured in three different media: one containing insoluble phosphorus (group A), one containing soluble phosphorus (group B), and one lacking phosphorus (group C). Compared with group B cells, group A cells showed 4782 and 447 up- and down-regulated genes, respectively, and group C cells showed 3630 and 209 up- and down-regulated genes, respectively. The up-regulated genes in Groups A and C had similar gene ontology annotations. The main subcategories in the biological process category were metabolic process, cellular process, single-organism process, response to stimulus, localization, and biological regulation. In the cell components category, the main subcategories were cell part, membrane, membrane part, and macromolecular complex. In the molecular function category, the main subcategories were catalytic, binding, and transporter. A metabolic pathway analysis showed that several metabolic pathways were significantly enriched in groups A and C, including 2-oxocarboxylic acid metabolism, alpha-linolenic acid metabolism, C5-branched dibasic acid metabolism, fatty acid metabolism, glycine-serine-threonine metabolism and valine-leucine-isoleucine biosynthesis. Ten differentially expressed genes in three different groups were analyzed by quantitative real-time polymerase chain reaction (qRT-PCR). The transcriptional patterns detected by qRT-PCR were similar to those detected in the transcriptome sequencing analyses. The composition and concentrations of organic acids were detected by high performance liquid chromatography (HPLC). The lactic acid, succinic acid, and citric acid concentrations were significantly higher in group A and group C than in group B. The fumaric acid and malic acid concentrations were much higher in group C than in groups A and B, and did not differ significantly between groups A and B. The concentration of α-ketoglutaric acid was higher in group A than in group B, and did not differ significantly between groups C and B.
phosphorus-solubilizing bacteria; white clover; transcriptome profile; RW8; organic acid
10.11686/cyxb2016399
http://cyxb.lzu.edu.cn
2016-11-01;改回日期:2017-01-10
貴州省科技支撐項目(黔科合支撐[2016]2504號)和貴州省農科院專項基金(黔農科院院專項[2013]03)資助。
李小冬(1984-),男,湖南邵陽人,副研究員,博士。 E-mail: lixiaodongzl@163.com*通信作者Corresponding author. E-mail: caiyiming2000@tom.com
李小冬, 王小利, 陳錫, 蔡璐, 曾慶飛, 舒健虹, 蔡一鳴. 轉錄組解析白三葉根際溶磷菌株RW8的解磷機制. 草業(yè)學報, 2017, 26(8): 168-179.
LI Xiao-Dong, WANG Xiao-Li, CHEN Xi, CAI Lu, ZENG Qing-Fei, SHU Jian-Hong, CAI Yi-Ming. Transcriptome profiling analysis of the phosphate-solubilizing mechanism of the white clover rhizosphere strain RW8. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(8): 168-179.