pH调节在增强深色有隔内生真菌(DSE)活化吸收难溶性磷中的功能作用及机制

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土壤有效磷含量低是制约作物产量的最主要影响因子之一。近年来,越来越多的研究支持植物根际栖居的多样功能微生物,比如深色有隔内生真菌(Dark septate endophytes,DSE)在活化、吸收难溶性磷及提高植物磷利用方面发挥着重要作用。课题组的前期研究发现,DSE菌株嗜鱼外瓶霉(Exophiala pisciphila H93)与宿主植物玉米共培养时,通过降低p H、增强磷酸酶活性等方式显著增强玉米对难溶性磷的活化、吸收,从而提高玉米对磷的利用效率。然而,p H调节在增强DSE活化吸收难溶性磷中的功能作用及机制仍不清楚。因此,本研究拟对DSE菌株H93在纯培养条件下活化难溶性磷的过程进行研究,测定发酵液中的可溶性磷含量、p H、酶活以及有机酸、转录调控等,从而阐明p H调节在增强DSE活化、吸收难溶性磷中的功能作用及机制。研究取得的主要结果如下:(1)H93的注释基因组大小为46.13 Mb,功能注释的基因数目为13,998个,占比为98.56%,基因功能注释结果主要富集在碳水化合物代谢、氨基酸代谢及外源生物降解与代谢等,其中,包括1135个基因参与核苷磷酸结合过程(nucleoside phosphate binding),357个基因参与磷代谢过程(phosphorus metabolic process),319个基因参与转移含磷基团(transferase activity,transferring phosphorus-containing groups),此外还有154个基因参与有机磷代谢过程(organophosphate metabolic process)。(2)无论是对难溶性有机磷还是无机磷,DSE菌株H93通过分泌有机酸等方式显著降低了发酵液的p H,增强磷酸酶和植酸酶活性,活化难溶性磷的释放。但二者的活化效应不同,于难溶性的有机磷源植酸钙而言,H93呈“矿化型(mineralization)”磷溶解,即使是低磷条件下接种H93处理组,其发酵液可溶性磷终浓度仍显著高于高磷条件下的不接种对照(p<0.001),而对难溶性的无机磷源磷酸三钙的溶解则呈“同化型(assimilation)”,即接种组发酵液可溶性磷浓度显著低于不接种的对照。不同p H条件下的磷吸收效率研究表明,DSE最大磷吸收效率发生在p H=6.0左右。因此我们的结果表明,有机酸的分泌、p H调节是DSE活化吸收难溶性有机/无机磷的一种重要策略。(3)有机酸的LC-MS/MS结果表明,在低磷和高磷处理条件下,不同难溶性磷添加共诱导H93产生17种有机酸,包括四个不同处理组中共有的有机酸有12种。我们的研究发现,不同处理组间有机酸的种类和浓度显著不同。特别是,在有机磷处理下,发酵液中有机酸的总含量更高,且有机酸参与的代谢途径更多;在所有四个处理组中其含量超过1000 ng/m L的优势有机酸只有三种,即苯甲酸(benzoic acid)乳酸(lactic acid)和顺式乌头酸(cis-aconitic acid),其中顺式乌头酸是有机磷诱导处理组特有的,其含量在Lop和Hop组中高达1884 ng/m L和2252ng/m L,是调控低p H增强H93活化植酸钙的一个主要活性成分。(4)转录组结果表明,有机/无机磷添加和磷浓度共诱导了5278个差异表达基因,其中磷浓度诱导的DEGs数量(4448个)显著高于难溶性磷源诱导的(830个)。且二者展现完全不同的调控特征,在难溶性磷源诱导的DEGs中,其下调表达的DEGs高于上调表达(下调57个,上调11个),而磷浓度诱导的DEGs却与之相反(上调404个,下调265个)。而这些DEGs的功能主要涉及到跨膜运输、金属离子结合、磷酸离子运输、氧化还原过程等生物过程。KEGG结果表明,不论是高磷还是低磷浓度下,与无机磷源处理相比,有机磷源诱导缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解和丙酸代谢显著上调表达;此外,在高磷处理条件下,有机磷源处理特异性的诱导H93氮代谢和磷酸戊糖途径显著下调表达。(5)转录组和有机酸代谢的联合分析表明,高磷处理下,难溶性磷源诱导DSE通过调控丙酸代谢相关基因的差异表达来调控有机酸的分泌;而无论是在难溶性有机磷还是无机磷处理下,磷浓度诱导DSE通过调控多条代谢通路(碳代谢,乙醛酸和二羧酸代谢,柠檬酸循环(TCA循环),丙酮酸代谢和丙酸代谢)中相关基因的差异表达来调控有机酸分泌,其中碳代谢途径是重要的途径。综上所述,E.pisciphila H93通过调控有机酸代谢相关的基因差异表达,诱导顺式乌头酸等有机酸的分泌、降低p H,并通过增强磷酸酶和植酸酶活性等途径,增强DSE对难溶性磷源的活化、吸收过程。而H93对植酸钙和磷酸三钙的活化呈不同特性,研究结果可为利用DSE活化难溶性磷、促进植物的高效利用提供理论指导。
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