Plants-Having如何不同的分泌Patterns-Shape类似微生物群落?

文摘

微生物与植物对改善植物生长和产量已被证明参与土壤中元素的生物地球化学循环。由于这些原因,根际微生物被认为是植物健康和生产力的一个关键因素。植物可以影响根际微生物群落的定性和定量成分通过释放不同种类的有机化合物。然而,这个版本取决于几个因素,如植物基因型、土壤性质、植物营养状况、气候条件。在先前的研究中,我们表明,根际微生物群落相关铁(Fe)足够和Fe-deficient番茄和大麦的植物,生长在不同农业钙质土壤,惊人的相似,由菌株表现出植物growthpromoting (PGPR)特征。

在目前的评论,我们评估可能的变量的作用,例如营养饥饿,这可能引起微生物群落的变化独立于植物物种。exudome(即根际有机化合物来自从植物和微生物)已被建议作为工具来更好地了解根际微生物群的动态。此外,我们还讨论的优点和缺点的“组学”的方法(16 s分析宏基因组和metatranscriptomics测序)用于微生物群落的研究。总之,我们建议进一步里程碑需要达到为了发展高效生物肥料综合作物养分管理的实践。

土壤生态系统,特别是根际间,即土壤的体积受到根活动,被广泛认为是生物的栖息地托管高度多样化的社区内细菌代表最丰富的集团,物种多样性和社区的大小(1]。在自然、农业和森林土壤,根际是高度动态的在时间和空间方面房地产各种复杂的生物和化学反应,主要是由有机化合物释放植物(2]。这些所谓的根系分泌物,包括低分子量(流明瓦:有机酸、氨基酸、糖类、酚酸、黄酮类化合物、等)和高分子量(高分子量:碳水化合物、酶等)的分子,尤其由生物或非生物应力引起的,如营养不良(3]。在这个生态环境中,土壤微生物通过根系分泌物可以吸引或排斥,从而产生不均匀分布的土壤微生物群(4]。此外,几项研究已经表明,不同的植物物种以不同的定性和定量的分泌模式可能以不同的方式驱动塑造自己的根际微生物(5- - - - - -8]。

在最近的一篇论文中,我们分析了根际微生物群落的铁(Fe)足够和Fe-deficient番茄和大麦的植物,生长在两个不同的农业454 - pyrosequancing石灰土的方法(9]。番茄和大麦植物依靠两种不同的策略来获得铁的生长基质,因此根分泌也有两种不同的配置文件。特别是,在单子叶植物(如大麦),有机化合物的主要类发布由non-proteinogenic氨基酸,称为phytosiderophores,而双子叶植物植物(如番茄)已知散发出主要有机酸(10]。令人惊讶的是,在很短的时间内(6天的培养),这两种植物诱导的选择类似的微生物群落形成的细菌菌株,最有可能参与元素的生物地球化学循环,可能表现出促进植物生长(PGP)特征。这个结果仍然是更有趣的考虑到双子叶植物(如番茄),不同于单子叶植物,能够在根际酸化铁短缺的结果(11]。因此,这些发现表明,进化的植物可能采用不同的工具来达到同样的目标(选择相似的微生物群,旨在应对菲饥饿)(9]。然而,这些观察结果揭示普遍的特性吗?这种行为也通过其他植物物种和/或其他营养强调在自然条件(即字段)?进一步的研究考虑更多的植物种类、土壤以及时间课程实验和大田试验有助于澄清这一点。

一些作者认为在压力环境中,如沙漠土壤和咸水池塘,根际效应(即根分泌)可能扮演一个次要角色塑造的微生物群落,可覆盖的“极端”条件(如土壤干旱、盐碱)[12,13]。根据这些观察,缺铁可能设想作为代理通过植物的生理条件,独立的物种,土壤微生物群作为一个强大的选择压力。事实上,这种压力可能引起普遍的分泌物的释放不同的植物物种,可以构成积极信号,吸引和支持有用的微生物的增殖,或消极信号(s)、排斥有害的。这个假设进一步强调了植物exudome破译的紧迫性(即定性和定量根系分泌物的组成)在高分辨率来揭示可能的效应器的根际微生物参与的转变(图1)。尽管这个关键步骤的重要性,在分析的一个主要限制植物exudome是很难收集充足的根际土壤和定量恢复渗出液,特别是在自然条件和现场试验。这种分析是进一步复杂化的一系列渗出液和三方系统之间的动态相互作用发生根/微生物/ soil-minerals,还应该考虑2,10]。到目前为止,实验设计针对研究根系分泌物的活动,在土壤颗粒(如养分循环)或微生物,经常代表一个巨大的挑战和简化的系统是必需的,即使部分的信息不可避免地会丢失14]。

迄今为止,大多数研究针对研究土壤微生物群落的组成都是基于16 s rRNA分析给出一个分类的快照人口,相对丰度和多样性的细菌和archea (图1)[9,15- - - - - -20.]。进一步落实分类描述微生物种群的生物信息学工具,例如PICRUSt算法,可以利用预测社会的公认的功能的基础上16 srrna基因(21]。尽管如此,提供的信息仍然是间接证据,这种方法可能会失败在完全描述相伴的植物功能多样性和描述方面的微生物(22]。然而,这种方法不考虑水平基因转移在不同的移动遗传基因整合元素(质粒,整合子和转座子)可以传播和转移细菌,甚至分类学的遥远的。短暂,细菌不同的物种,共享一个共同的环境可以获得或失去一些代谢功能,即使是在一个相对较短的时间23]。在当今激烈的竞争环境中尤其如此,热点像根际,强调环境。为了解决这个问题在细菌群落的功能的不确定性原位其他方法,包括宏基因组测序更有前途。测序成本的进步减少了鸟枪测序的应用(宏基因组和metatranscriptomics)更有吸引力和更可行。在一个典型的猎枪宏基因组方法,整个DNA测序出现在一个给定的环境允许的决心编码的功能潜力的微生物以及小说的发现酶活性(24,25]。目前,微生物功能的更深层次的认识由猎枪metatranscriptomics方法,给出,通过测序整个RNA,旨在检测那些积极的基因表达,从而给可能获得有用的知识代谢过程发生原位(26]。宏基因组数据集的比较分析可以提供进一步的信息关于rhizobacterial社区的多样性和功能27]。

在系统层面上,结合宏基因组,metatranscriptomic exudomic分析将使更深入地理解土壤微生物群之间的分子相互作用和微生物与其宿主植物之间。这些数据还将获得潜在的基因,生化途径和代谢产物可能发挥重要作用的植物矿质营养动力学在根际和营养功能的习得机制根源。

根际微生物的影响植物矿质营养更重要的是考虑到目前还需要增加主食生产减少外源输入,如化肥。现代农业向更可持续的实践目标,可能基于co-application化肥和PGPR菌株(如养分综合管理)(28]。在这个场景中,原地微生物群落可能战胜外生biofertilizing细菌,因此可能消失的有利影响。它真的发生?然后,这个交互程度取决于缓冲潜在原地社区的?尽管如此,还是有差距的知识关于这个主题。因此,建议未来的研究关于biofertilzer鸡尾酒的发展包括和关注这些重要的方面。然而,生物肥料的适用性和有效性需要一定知道exudome,考虑其推动作用在塑造根际微生物。

引用

1. 门德斯R, et al。根际微生物:植物有益的意义,人类pathogenicmicroorganisms plantpathogenic,。《启37:634 2013;663年。
2. Terzano R, et al。动力学、热力学和动力学的渗出液:根际过程的关键问题的理解。PlantSoil。2014;386:399 - 406。
3. Dakora FD和菲利普斯哒。Rootexudates low-nutrientenvironments矿产收购介质。PlantSoil。2002;245:35-47。
4. Pii Y, et al。根际微生物相互作用:有益的影响plantgrowth-promoting rhizobacteria nutrientacquisitionprocess。复习一下。FertilSoils杂志。2015;51:403 - 415。
5. Germida J和西西里岛舞蹈s Taxonomicdiversity与theroots现代相关的细菌,最近和ancientwheatcultivars。FertilSoils杂志。2001;33:410 - 415。
6. Berg G和Smalla k Plantspecies和soiltypecooperativelyshapethestructure microbialcommunities在根际的函数。《生态。2009;68:1-13。
7. Smalla K, et al .散货及根际soilbacterialcommunitiesstudiedbyDenaturingGradient凝胶电泳:plant-dependentenrichment seasonalshiftsrevealed。:EnvironMicrobiol。2001;67:4742 - 4751。
8. Ciccazzo年代,et al . Differentpioneerplantspeciesselect具体根际bacterialcommunities highmountainenvironment。Springerplus。2014; 3:1-10。
9. Pii Y, et al . ironnutrition之间的交互,plantspecies soiltypeshapesthe根际微生物。学生物化学植物杂志。2016;99:39-48。
10. 主教练T, et al . Rhizosphericorganiccompounds thesoil-microorganism-plantsystem: ironavailability的角色。欧元J土壤科学。2014;65:629 - 642。
11. 预N, et al .生理和分子特性的铁acquisitionbytomatoplantsfrom自然铁复合物。FertilSoils杂志。2013;49:187 - 200。
12. 李H, et al . Shiftingspeciesinteraction soilmicrobialcommunity和itsinfluence ecosystemfunctionsmodulating。活细胞生态。2013;65:700 - 708。
13. Borruso L, et al。根际效应和salinitycompetingtoshapemicrobialcommunities Phragmitesaustralis (Cav)。指标。ex-Steud。《列托人。2014;359:193 - 200。
14. Oburger E和施密特h .新MethodsToUnravel根际过程。TrendsPlant Sci。2016; 21:243 - 255。
15. Canfora L, et al .盐度和bacterialdiversity: towhatextentdoestheconcentration salinesoil saltaffectthebacterialcommunity的吗?PLoSOne。2014;9:e106662。
16. Carbonetto B, et al。结构、成分和metagenomicprofile soilmicrobiomesassociatedtoagriculturalland使用和耕作系统在阿根廷的潘帕斯草原。PLoSOne。2014;9。
17. 陆InceoAƒ一个„…¸ƒ一ƒet al.Comparativeanalysis bacterialcommunities在potatofield机关焦磷酸测序。PLoSOne。2011;6:e23321。
18. Nacke H, et al . Pyrosequencing-based评估在德国的森林和grasslandsoils bacterialcommunitystructurealongdifferent管理类型。PLoSOne。2011;6。
19. Sugiyama, et al . thebacterialcommunity soybeanrhizospheresduringgrowth在球场的变化。PLoSOne。2014;9:e100709。
20. 班次Y和Shinano t Metagenomicanalysis tophyticacidutilization根际土壤微生物的尊重。MicrobesEnviron。2013;28:120 - 127。
21. Langille MG, et al . Predictivefunctionalprofiling microbialcommunities使用16 s rRNA标记基因序列。生物科技Nat》。2013; 31:814 - 821。
22. Bulgarelli D, et al。野生和domesticatedbarley thebacterialroot微生物群的结构和功能。细胞微生物。2015;17:392 - 403。
23. 托马斯·厘米和尼尔森公里。机制,barriersto细菌之间的水平基因转移。NatRevMicrobiol。2005;3:711 - 721。
24. Lovley清理与基因组学博士:应用分子biologytobioremediation。NatRevMicrobiol。2003;1:35-44。
25. 罗素JR, et al .生物降解聚酯polyurethanebyendophyticfungi。:EnvironMicrobiol。2011;77:6076 - 6084。
26. Urich T, et al。同时评估soilmicrobialcommunitystructure和functionthroughanalysis meta-transcriptome。公共科学图书馆One.2008; 3: e2527。
27. 迈耶F, et al .宏基因组拉斯特服务器publicresourcefortheautomaticphylogenetic functionalanalysis基因组。BMC生物信息学。2008;9:386。
28. Adesemoye AO和Egamberdieva d有益的影响PlantGrowth-Promoting Rhizobacteria improvedcropproduction: prospectsfordevelopingeconomies。细菌在土壤生物学:CropProductivity: Maheshwari DK, Saraf M,艾龙铝基合金(Eds)。(海德堡SpringerBerlin、柏林、海德堡)。2013;pp: 45 - 64。