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LUYOR-3415激發(fā)光源用于研究農(nóng)田多樣化作物調(diào)控豆科生物固氮的根際對(duì)話機(jī)制

近日，南京土壤研究所彭新華研究員團(tuán)隊(duì)陳晏副研究員聯(lián)合德國科隆大學(xué)陸地生態(tài)研究所、美國俄克拉荷馬大學(xué)、分子植物科學(xué)創(chuàng)新中心等國內(nèi)外研究單位在農(nóng)田長期多樣化種植下，種間植物根際對(duì)話調(diào)控土壤氮素庫容擴(kuò)增機(jī)制方面取得了進(jìn)展。相關(guān)研究成果以“Legume rhizodeposition promotes nitrogen fixation by soil microbiota under crop diversification”為題，在線發(fā)表于Nature Communications 上，文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)是使用LUYOR-3415RG便攜式熒光蛋白激發(fā)光源觀察GFP在大豆根系表達(dá)。

我國人均耕地資源缺乏，長期依賴化肥的高強(qiáng)度單一化種植，加速了土壤生物功能退化，不利于健康耕地土壤培育。含豆科的輪間套作增加了農(nóng)田作物多樣性，并在減少氮肥的基礎(chǔ)上保證了作物產(chǎn)量，實(shí)現(xiàn)了地下養(yǎng)分?jǐn)U增和地上作物穩(wěn)產(chǎn)。但是關(guān)于這種“雙贏效應(yīng)”的產(chǎn)生機(jī)制仍不清晰，制約了農(nóng)田作物多樣化“改土提質(zhì)-產(chǎn)能增效”等技術(shù)措施的優(yōu)化發(fā)展。植物根系分泌物介導(dǎo)根際對(duì)話調(diào)控作物功能微生物的組裝和宿主適應(yīng)性反饋。已有研究明確了個(gè)體植物特異性代謝物在招募根際微生物抵御環(huán)境脅迫方面的貢獻(xiàn)。然而，種間植物根系間存在著頻繁的化學(xué)通訊。長期多樣化作物共存下，發(fā)掘豆科如何調(diào)控根系代謝提升生物固氮等環(huán)境適應(yīng)性功能，是揭示農(nóng)田土壤氮庫擴(kuò)容的關(guān)鍵。

該團(tuán)隊(duì)利用土壤代謝組、植物轉(zhuǎn)錄組等多組學(xué)方法，結(jié)合熒光分子標(biāo)記等微生物基因工程技術(shù)，明確了紅壤長期輪間套作種植模式下，豆科根際特異性沉積物提升土壤生物固氮的分子生化途徑。研究結(jié)果表明，相較于花生單作，長期多樣化種植的花生表現(xiàn)出更高的根系結(jié)瘤能力和土壤氮素固定能力。從植物轉(zhuǎn)錄水平上，玉米和油菜的輪間作活化了花生根系苯丙烷代謝途徑，從而提升了花生代謝水平上黃酮和類代謝物的根系合成與釋放。這些物質(zhì)在土壤中的積累改變了土壤微生物群落組成，并通過兩種途徑影響土壤固氮菌群生物活性：1）針對(duì)土壤自生固氮菌，花生根系沉積物是其偏好的碳資源。代謝物通過資源補(bǔ)償效應(yīng)增加自生固氮菌個(gè)體數(shù)量，提升土壤固氮活性擴(kuò)增土壤氮庫；2）針對(duì)根系共生固氮菌，黃酮和類代謝物作為信號(hào)分子，通過信號(hào)誘導(dǎo)效應(yīng)改變共生菌生存策略，激發(fā)固氮菌的宿主定殖活性，增強(qiáng)共生固氮能力。以上兩種生物固氮途徑的強(qiáng)化是多樣化作物種植擴(kuò)增土壤氮庫的關(guān)鍵。該研究揭示了地上多樣化植物-地下微生物群落基于“化學(xué)交流”構(gòu)建農(nóng)田跨界生物聯(lián)盟途徑，提出多樣化種植提升退化紅壤質(zhì)量的生物調(diào)控原理，為在貧瘠紅壤上建立花生/玉米-油菜輪間套作制度優(yōu)化，協(xié)同退化阻控和養(yǎng)分?jǐn)U容提供了理論基礎(chǔ)。

研究成果得到了南京土壤研究所“十四五”自主部署項(xiàng)目、自然科學(xué)基金、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目等的支持。?

文獻(xiàn)片段：

To observe the colonization of Bradyrhizobium N47 within the host root, we constructed a GFP-marked strain N47. The Escherichia coli DH 5ɑ with GFP plasmid pJZ383 (TetS, GFP, SpeR) were kindly provided by Prof. Zengtao Zhong (Life Science College, Nanjing Agricultural University, Nanjing, China). The wild strain N47 can grow on tetracycline (TetR, 5?μg?mL-1) TY agar media but is not resistant to spectinomycin (SpeS, 100?µg?mL-1). The E. coli DH 5ɑ carrying plasmid pJZ383 was conjugated with Bradyrhizobium N47 by biparental patch mating66,67. Transconjugants were selected on YT plates containing Tet and Spe. Transconjugants were purified by subculturing three times on the same medium and finally observed using a  Fluorescent Protein Excitation Light Source(LUYOR-3415RG, Luyor Instrument, CA, USA)with excitation and emission wavelengths of 440 and 500?nm, respectively. Then, 2?mL GFP-marked N47 microbial agent was injected around the 20-day-old peanut roots in flasks. After 3 days of incubation in the growth chamber, plant roots were collected and imaged using laser confocal scanning microscopy (CLSM710, Zeiss, Oberkochen, Germany) at 488?nm.

文獻(xiàn)鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47159-x 

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