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南京农大土壤微生物与有机肥团队揭示抗生素调控微生物肥料菌种根表定殖成膜新机制

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2019年11月05日 11:24 农博网

  根际微生物被看作植物的第二基因组,对植物的生长和健康发挥着重要的作用,芽孢杆菌类根际促生菌(PGPR)由于具有根系促生、土传病原菌拮抗、货架期长等特点,以及在宿主植物根表形成生物膜而近距离“贴身”发挥益生功能等特性,是微生物肥料的主要生产菌种,占我国目前登记的六千多个生物肥料产品中生产菌种的75%以上,在农业绿色发展中意义重大。

  资环学院土壤微生物与有机肥团队张瑞福课题组前期发现,在微生物肥料生产中广泛使用的解淀粉芽孢杆菌SQR9(目前解淀粉芽孢杆菌被更名为贝莱斯芽孢杆菌)分泌的脂肽类抗生素杆菌霉素(Bacillomycin D)具有作为武器拮抗土传尖孢镰刀菌和作为信号调控其本身生物膜形成的双重功能,该研究2013年发表在微生物学领域国际知名期刊《Applied 和 Environmental Microbiology》(Xu et al. 2013),因其新颖性被编辑推荐为当期亮点文章(Spotlight Article),并写了“一种抗生素能同时作为杀菌武器和有益菌根际定殖信号(An antibiotic that acts as both a weapon 和 a signal for a beneficial rhizospherebacterium)”的推荐评语,该文目前被引用82次。

  但是对Bacillomycin D调控菌株SQR9生物膜形成和根际定殖的分子机制当时未知。经过几年研究,国际着名期刊Cell子刊《Cell Reports》2019年10月29日正式发表了课题组最新研究成果“Antibiotic bacillomycin D affects iron acquisition 和 biofilm formation in Bacillus velezensisthrough a Btr-mediated FeuABC-dependent pathway”。揭示了Bacillomycin D能与细胞膜铁离子转运通道FeuABC的调控蛋白Btr特异性结合,并激活feuABC基因的表达,从而提高胞内铁离子浓度,增加胞内NAD+/NADH的比值,通过呼吸链细胞色素末端氧化酶激活跨膜组氨酸激酶KinB,再经由信号传递链Spo0A-SinI-SinR调控了胞外生物膜基质合成相关基因的表达。该研究不仅深入阐释了抗生素BacillomycinD调控生物膜形成的分子机制,还系统分析了该抗生素在植物根际的“多重功能”,其生物特性有利于产生菌多细胞阶段的生长和与其他根际微生物的铁离子竞争。

  本研究由国家自然科学基金、973项目和国家重点研发计划等资助,资环学院徐志辉副教授为该论文的第一作者,土壤微生物和有机肥团队张瑞福教授为通讯作者,课题组博士生张慧慧、刘妍、孙新丽以及冯海超博士、荀卫兵副教授、张楠副教授、沈其荣教授参与了该研究,斯洛文尼亚University of Ljubljana的M和ic-Mulec教授参与了结果分析和文章撰写。

  微生物肥料产业近年来虽然蓬勃发展,但是在肥料行业中占比仍然较小,优异菌种的选育和田间效果的稳定性等仍是制约微生物肥料发展的关键问题。对根际益生菌的植物益生机理缺乏深入理解,难以在生产上建立起科学的菌种选育标准;根际益生菌在复杂根际环境的竞争定殖是决定其田间效果稳定性的关键因素,对根际益生菌的根际定殖过程和调控机制缺乏深入认识,难以为稳定其田间效果提供理论指导和技术支撑;根际微生物组结构和功能研究国际上方兴未艾,基于充分挖掘根际微生物组功能的作物育种策略和田间管理措施还处于探索阶段。

  针对以上关键科学问题,课题组从根际益生菌个体和根际微生物组群体两个方面,揭示了典型根际益生菌促进植物生长、增强植物耐逆、诱导植物系统抗性的作用机理;系统阐明了其根际趋化定殖的分子调控机制与信号分子网络;分析了根际微生物组装配的驱动因素、装配过程和功能特点。研究成果揭示了典型根际益生菌趋化定殖和植物益生的新机制,提出了根际微生物组装配的新理论,促进了根际益生菌的利用和微生物肥料的发展,课题组近年来在Nature Communications、Microbiome、Cell Reports、Current Opinion in Microbiology、Environmental Microbiology、Molecular Plant-Microbe Interactions、Soil Biology & Biochemistry、Journal of Proteomic Research、Applied 和 Environmental Microbiology,Journal of BiologicalChemistry等国际着名期刊发表SCI论文55篇,研究成果受到国际同行广泛关注,被引用2000余次,三篇论文入选ESI高被引论文。

(文章来源:世界农化网)

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