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IF8.7! 代谢组+微生物组助力苹果镉胁迫缓解机制研究

2024-02-21

文章题目:Dopamine  alleviates  cadmium  stress  in  apple  trees  by recruiting  beneficial  microorganisms  to  enhance  the physiological  resilience  revealed  by  high-throughput sequencing  and  soil  metabolomics


河北农业大学在《Horticulture Research》上发表了多巴胺缓解苹果镉胁迫的研究成果。本研究中代谢组和微生物组检测及部分数据分析工作由上海亚洲第一品牌威尼斯澳门人生物科技股份有限公司完成。


研究背景

由于农药、化肥的过度使用以及工业“三废”的排放,导致土壤镉污染日趋严重,镉是土壤中最常见的高毒性重金属污染物。苹果是世界上最重要的经济水果之一,种植面积大,生长周期长,巨大的时空跨度使其容易遭受镉污染,严重威胁苹果生长发育和品质安全。多巴胺具有较强的抗氧化能力,在植物响应逆境胁迫中具有重要作用。然而,关于多巴胺调控苹果镉胁迫的研究较少。


技术路线

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研究内容

多巴胺对镉胁迫下苹果生长、总叶绿素含量、相对电解泄漏量、多巴胺含量及光合参数的影响

在第60天,镉胁迫(ST)幼苗的株长、干粗、总干重和相对生长率与对照(CK)相比均显著降低。相反,与ST相比,多巴胺处理(DST)显著提高了上述参数(图1a-e)。此外,多巴胺处理后的总叶绿素含量(TCC)比ST植株显著提高了7.0%。与对照相比,ST植株的相对离子渗漏率(REL)显著提高了44.8%,而DST植株的REL仅提高了6.9%(图1f和g)。

在处理60天后,测量了叶片和根中多巴胺的内源性水平:与对照相比,Cd胁迫下根中多巴胺含量显著升高。施用多巴胺后,根和叶中多巴胺含量较ST显著提高了252.6%和191.7%(图1h),说明外源多巴胺增加了内源多巴胺水平。此外,DST植物的蒸腾速率(tr)、气孔导度(Gs)和净光合速率(Pn)比ST显著提高了60.3%、80.0%和64.3%,而细胞间CO2浓度(Ci)则降低了2.3%(图1i- l)。

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图1 Cd胁迫下多巴胺对苹果生长参数及多巴胺含量的影响


多巴胺减轻Cd诱导的氧化应激

与ST相比,DST植株H2O2含量和O2•−产量显著降低20.9%和21.9%。叶绿素荧光参数(Fv/Fm)和非光化学猝灭系数(NPQ)均显著高于ST,分别提高了11.4%和19.0%。与此同时,MST处理的苹果叶片过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)和抗坏血酸氧化酶(APX)活性显著升高,其中上述抗氧化酶活性较ST处理分别显著提高了26.0%、32.1%、43.2%和63.2%。最后,与对照相比,Cd胁迫下总抗氧化能力(T -AOC)显著提高了10.9%,DST胁迫下提高了26.4%(图2)。

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图2 多巴胺对Cd胁迫下应激反应性状的影响


多巴胺降低了苹果中Cd的含量

图3a显示了不同处理后的苹果叶和根的染色,Cd以棕红色复合体的形式积累。与对照相比,ST处理植株的Cd浓度和累积量分别显著增加了85.2倍和67.0倍,叶片分别增加了1.72倍和1.32倍。与ST相比,DST植株的Cd浓度和累积量分别显著降低了16.8%和9.3%,叶片分别降低了34.8%和32.7%(图3b)。

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图3 植物Cd浓度与积累


多巴胺调节抗氧化酶和抗坏血酸(AsA) -谷胱甘肽(GSH)循环相关基因以及Cd摄取和解毒基因

大部分抗氧化酶和AsA-GSH循环相关基因在ST叶片中均有不同程度的上调,而在ST根中无明显差异。然而,多巴胺作用后,几乎所有抗氧化和AsA-GSH相关基因均显著上调。其中,MdCAT在叶片中比ST上调1.9倍,MdCAT、MdMDHAR和MdcGR在根中分别上调3.2倍、3.6倍和3.4倍(图4a-b)。与ST相比,DST叶片中MdNRAMP3、MdHMA4、MdHA7和MdFRO2-like的表达量分别下调42.3%、53.2%、69.1%和62.6%,在根中分别下调55.6%、66.4%、10.6和38.6%。在Cd脱毒基因中,MdCAX2和MdNAS1在叶片中显著上调76.4%和125.7%,MdCAX2在根中显著上调58.3%(图4c-d)。

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图4 不同处理下抗氧化酶、AsA-GSH循环和Cd吸收解毒相关基因的表达


微生物多样性和群落组成

多巴胺处理后细菌和真菌α-多样性评估显示,与ST相比,Simpson指数明显升高。非度量多维尺度分析(NMDS)显示,Cd胁迫和外源多巴胺处理导致不同处理间差异显著(图5a-b)。在各种处理中,酸杆菌、氯杆菌、放线菌占细菌群落的主导地位,担子菌门、子囊菌门占真菌群落的主导(图5c-d)。优势细菌和真菌属也发生了变化,DST中大多数优势细菌和真菌属的相对丰度相对于ST显著降低(图5e-f)。

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图5 根际土壤微生物群落组成


不同处理后微生物群落的聚集

群落组装过程决定了物种分布和丰度的模式,这是微生物组生态学的核心。Homogenizing dispersal在CK和ST根际细菌群落的随机过程中占主导地位。多巴胺改变了根际细菌的组装过程,Undominanted、Homogenizing dispersal和Dispersal limitation分别占66.7%、22.2%和11.1%。对于根际真菌群落,Undominant process是CK最重要的组装过程,而Homogeneous selection在ST和DST样本中占主导地位(图6)。

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图6 β-NTI在细菌(a)和真菌(b)样品中的分布


微生物群落的网络分析

共线性网络分析结果发现,在DST样本的细菌群落中,节点数和总链接数较ST显著增加。在真菌群落中,与ST相比,多巴胺处理后节点数和总链接数明显减少。此外细菌和真菌群落之间的总链接数明显增加。并且镉胁迫条件下多巴胺处理使中介中心性前五的关键属发生改变。以上结果表明,Cd胁迫和多巴胺对微生物组成结构有显著影响(图7)。

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图7 根际土壤中细菌群落(a)、真菌群落(b)、细菌和真菌群落(c)之间的网络分析


潜在有益微生物相对丰度与RGR和全株Cd积累的关系

基于LEfSe分析,筛选出了DST处理中的标志微生物群落。随后,我们将标志菌群丰度与植株相对生长速率(RGR)和整株Cd积累量之间进行相关性分析。结果发现Pseudoxanthomonas, Aeromicrobium, Bradyrhizobium, Frankia, Saccharimonadales, Novosphingobium, Streptomyces 与整株Cd积累量显著负相关,与RGR显著正相关(图8-10)。

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图8 细菌(a)和真菌(b)谱系的进化分布图

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图9 生物标记类群的相对丰度与相对生长率(RGR)的关系(Pearson相关分析)

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图10 生物标记类群相对丰度与全株Cd积累的关系(Pearson相关分析)


外源多巴胺调节Cd胁迫的土壤代谢

利用代谢组学对各处理土壤代谢物进行研究(VIP > 1,P < 0.05)。偏最小二乘判别分析(PLS-DA)表明,处理间存在显著的分离。Cd胁迫和添加多巴胺后,14种和18种代谢物的丰度分别发生了显著变化。这些结果表明,外源多巴胺明显改变了镉胁迫下土壤代谢谱。施用多巴胺后,13种土壤代谢物相对丰度明显上调,5种土壤代谢物相对丰度明显下调(图11)。

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图11 不同处理下土壤代谢组


根际微生物群与土壤代谢物的相关性

将标志微生物,差异代谢物,RGR和整株Cd积累量,共同建立共线性网络图。结果发现 (3β,5ξ,9ξ)-3,6,19-trihydroxyurs-12-en-28-oic acid (r = 0.8424)和juniperic acid (r = 0.7939)的相对丰度与RGR显著正相关。(10E,15Z)-9,12,13-trihydroxy-10,15-octadecadienoic acid (r = −0.8182)、(3β,5ξ,9ξ)-3,6,19-trihydroxyurs-12-en-28-oic acid (r = −0.8061)和L-threonic acid (r = −0.8061) 的相对丰度与整株Cd积累量显著负相关。并且相关代谢物和微生物之间也具有显著相关性。Saccharimonadales, Pseudoxanthomonas和Novosphingobium 分别与 L-threonic acid (r = 0.9152), profenamine (r = 0.8788)和juniperic acid (r = 0.8788)显著正相关。(3β,5ξ,9ξ)-3,6,19-trihydroxyurs-12-en-28-oic acid 与Aeromicrobium (r = 0.8545), Bradyrhizobium (r = 0.8424)和Streptomyces (r = 0.8061)显著正相关(图12)。

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图12 生物标记类群、土壤代谢物和相对生长速率/全株Cd积累的共线性分析


研究结论

本研究利用土壤微生物组和代谢组联合分析,研究了多巴胺对镉胁迫下苹果植株生长的影响。研究发现,多巴胺可以增强植株光合作用,激活活性氧清除系统,降低植株体内活性氧水平;抑制镉吸收基因的表达,促进镉解毒基因的表达,减少植株镉积累,从而缓解镉胁迫对植株生长的抑制。此外,多巴胺显著改变了土壤代谢物的组成以及根际微生物群落多样性。LEfSe分析表明多巴胺可通过诱导植物招募潜在的有益微生物来抵抗镉胁迫。共现网络显示,多巴胺正向调节的几个代谢产物与植物相对生长速率呈显著正相关,与镉积累则呈显著负相关,表明潜在有益微生物可能被上述代谢产物所调控。研究结果有助于今后深入研究多巴胺调控苹果镉胁迫的功能机制,也为果园土壤重金属治理提供了新的思路和策略。



原文索引: 

Cao Y, Du P, Zhang J, Ji J, Xu J, Liang B. Dopamine alleviates cadmium stress in apple trees by recruiting beneficial microorganisms to enhance the physiological resilience revealed by high-throughput sequencing and soil metabolomics. Hortic Res. 2023 May 22;10(7):uhad112. 

doi: 10.1093/hr/uhad112.