LUYOR-3415激發光源用于研究農田多樣化作物調控豆科生物固氮的根際對話機制

近日，中國科學院南京土壤研究所彭新華研究員團隊陳晏副研究員聯合德國科隆大學陸地生態研究所、美國俄克拉荷馬大學、中國科學院分子植物科學卓越創新中心等國內外研究單位在農田長期多樣化種植下，種間植物根際對話調控土壤氮素庫容擴增機制方面取得了進展。相關研究成果以“Legume rhizodeposition promotes nitrogen fixation by soil microbiota under crop diversification”為題，在線發表于Nature Communications 上，文獻中實驗是使用LUYOR-3415RG便攜式熒光蛋白激發光源觀察GFP在大豆根系表達。

我國人均耕地資源缺乏，長期依賴化肥的高強度單一化種植，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田作物多樣性，并在減少氮肥的基礎上保證了作物產量，實現了地下養分擴增和地上作物穩產。但是關于這種“雙贏效應”的產生機制仍不清晰，制約了農田作物多樣化“改土提質-產能增效”等技術措施的優化發展。植物根系分泌物介導根際對話調控作物功能微生物的組裝和宿主適應性反饋。已有研究明確了個體植物特異性代謝物在招募根際微生物抵御環境脅迫方面的貢獻。然而，種間植物根系間存在著頻繁的化學通訊。長期多樣化作物共存下，發掘豆科如何調控根系代謝提升生物固氮等環境適應性功能，是揭示農田土壤氮庫擴容的關鍵。

該團隊利用土壤代謝組、植物轉錄組等多組學方法，結合熒光分子標記等微生物基因工程技術，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。研究結果表明，相較于花生單作，長期多樣化種植的花生表現出更高的根系結瘤能力和土壤氮素固定能力。從植物轉錄水平上，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香豆素類代謝物的根系合成與釋放。這些物質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。代謝物通過資源補償效應增加自生固氮菌個體數量，提升土壤固氮活性擴增土壤氮庫；2）針對根系共生固氮菌，黃酮和香豆素類代謝物作為信號分子，通過信號誘導效應改變共生菌生存策略，激發固氮菌的宿主定殖活性，增強共生固氮能力。以上兩種生物固氮途徑的強化是多樣化作物種植擴增土壤氮庫的關鍵。該研究揭示了地上多樣化植物-地下微生物群落基于“化學交流”構建農田跨界生物聯盟途徑，提出多樣化種植提升退化紅壤質量的生物調控原理，為在貧瘠紅壤上建立花生/玉米-油菜輪間套作制度優化，協同退化阻控和養分擴容提供了理論基礎。

研究成果得到了中國科學院南京土壤研究所“十四五”自主部署項目、自然科學基金、重點研發計劃項目等的支持。?

文獻片段：

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.

文獻鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47159-x 

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