水淹胁迫下马缨杜鹃根系代谢物与微生物群落间互作关系

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马缨杜鹃(Rhododendron delavayi)是一种常绿灌木或小乔木,具有较高的园艺价值。水淹胁迫下影响马缨杜鹃幼苗的耐受性和生长状态,在我国南方潮湿多雨地区的马缨杜鹃推广种植受到极大地限制。因此,模拟水淹条件研究马缨杜鹃幼苗的耐受性、根系代谢物和微生物的响应具有重要的意义,为其栽培扩种的适宜水分条件提供基础依据。本研究采用盆栽控水方法,对2年生马缨杜鹃幼苗进行3个处理包括对照组(CK)、水淹组(WL10、WL20、WL30)和恢复组(WL10R、WL20R、WL30R),全面揭示马缨杜鹃幼苗在响应水淹胁迫过程中根系的变化、叶片光合作用、根系代谢物和微生物变化。主要研究结果如下:(1)观察马缨杜鹃根系形态的变化,在遭受水淹胁迫10d根系形态以及恢复状态下无明显变化,但在水淹胁迫20d进行恢复培养后马缨杜鹃根系形态开始产生损伤,尤其在水淹胁迫30d根系造成严重损伤、颜色加深变暗,直至最终变黑腐烂,无法恢复生长。(2)测定马缨杜鹃幼苗叶片光合作用,结果显示,与对照组相比,随水淹胁迫时间增加,净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)呈显著下降,胞间二氧化碳浓度(Ci)无显著影响。水淹胁迫后进行恢复10d下净光合速率、胞间二氧化碳浓度显著上升,在水淹胁迫20d和30d恢复,叶片的光合作用生理指标无明显变化。(3)基于高效液相色谱-串联质谱平台开展马缨杜鹃根系代谢组学分析,共鉴定到693种代谢物,主要包括了脂质、酚酸类、黄酮、氨基酸及其衍生物、有机酸等。与对照组相比,响应水淹胁迫马缨杜鹃根系差异代谢物共有223种,随水淹时间增加(10d、20d、30d)主要呈上调表达,极显著(p<0.01)富集到类黄酮生物合成、苯丙素的生物合成、二苯乙烯、二芳基庚酸和姜酚的生物合成、光合生物固碳作用、精氨酸和脯氨酸代谢、甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢、糖酵解/糖异生、嘌呤代谢、氨酰t RNA生物合成、黄酮和黄酮醇生物合成、组氨酸和嘌呤生物碱生物合成代谢通路上,主要包括黄酮、氨基酸及其衍生物、核苷酸及其衍生物和酚酸类等。水淹组(WL10)与恢复组(WL10R)共有83种差异代谢物,主要呈下调表达,极显著富集到嘌呤代谢、类黄酮生物合成、苯丙素的生物合成代谢通路上,主要包括核苷酸及其衍生物和黄酮等。水淹组(WL20)与恢复组(WL20R)共有104种差异代谢物,主要呈下调表达,极显著富集到类黄酮生物合成和精氨酸和脯氨酸代谢通路上,主要包括黄酮和氨基酸及其衍生物等。水淹组(WL30)与恢复组(WL30R)共有103种差异代谢物,主要呈下调表达,极显著富集到类黄酮生物合成、嘌呤代谢、苯丙素的生物合成、二苯乙烯、二芳基庚酸和姜酚的生物合成代谢通路上,主要包括黄酮、核苷酸及其衍生物和酚酸类等。在对照组、水淹组和恢复组共同存在的最主要差异代谢物是黄酮和脂质,可能在抗氧化和抗水涝等方面发挥着重要的生理作用。(4)利用Illumina高通量测序技术分析马缨杜鹃根系微生物群落构成和多样性。短期水分胁迫可以提高微生物群落丰度,随着胁迫时间延长微生物群落受抑制,在水淹胁迫10d和30d进行恢复微生物群落丰度显著提高,但在水淹胁迫20d时微生物群落丰度显著抑制。门分类水平微生物群落差异不明显,变形菌门(Proteobacteria)始终是优势类群,占比平均55.91%,其它各菌门占比依次递减。对马缨杜鹃根系微生物属分类水平上相对丰度分析,在水淹胁迫下,随胁迫时间增加对马缨杜鹃根系微生物群落结构产生较大的影响,水淹胁迫抑制需氧微生物的生长,如罗尔斯顿菌属等,但厌氧菌属和兼性厌氧菌属在缺氧条件下能生长,对营养物质的需求较低,能够葡萄糖发酵,产生酸性物质和气体,可能对马缨杜鹃根系产生毒害作用,如沙门氏菌属、酸热菌属等。(5)马缨杜鹃根系代谢与微生物群落相关性,在水淹胁迫(10d、20d、30d)发现黄酮、氨基酸及其衍生物、核苷酸及其衍生物和酚酸类等代谢物与涅瓦菌属(Nevskia)和短状杆菌属(Bradyrhizobium)呈显著正相关,与罗尔斯顿菌属(Ralstonia)、沙门氏菌属(Salmonella)呈显著负相关。水淹组(WL10)与恢复组(WL10R)发现脂质、黄酮、核苷酸及其衍生物和酚酸类等unidentified_Chloroplast和unidentified_Mitochondria显著正相关,与其它菌属(Others)显著负相关,与细菌各属类相对丰度相关性不显著。水淹组(WL20)与恢复组(WL20R)发现脂质、酚酸类、黄酮和有机酸等代谢物与Puia属、鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)和罗尔斯顿菌属(Ralstonia)呈显著正相关,与短状杆菌属(Bradyrhizobium)、unidentified_Mitochondria、unidentified_Chloroplas和酸热菌属(Acidothermus)呈显著负相关。水淹组(WL30)与恢复组(WL30R)发现脂质、黄酮、木脂素和香豆素等代谢物与鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)和罗尔斯顿菌属(Ralstonia)呈显著正相关,与涅瓦菌属(Nevskia)和其它菌属(Others)呈显著负相关。水淹胁迫以及恢复条件下,脂质、黄酮可能对根系微生物群变化(如罗尔斯顿菌属)有重要影响。
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