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原始玉米分泌的含固氮微生物粘液有固氮作用

作者:Alan B. Bennett

广州美格生物在微生物研究领域有着丰富的经验。咨询热线:18027152056


氮是植物必需的营养素,对许多非豆科作物来说,氮的需求主要是通过无机肥料的使用来满足的。

因为玉米是氮施肥的重要受体。几十年来科学家都在研究或设计与该作物相关的生物固氮机制。

植物周围有着复杂的微生物群,这些微生物群有助于植物的养分获取、生长和植物防御。


什么是生物固氮?


生物固氮是指固氮微生物将大气中的氮气还原成氨的过程,固氮生物都属于个体微小的原核生物,所以,固氮生物又叫做固氮微生物。


生物固氮的机理


生物固氮是固氮微生物特有的一种生理功能,这种功能是在固氮酶的催化作用下进行的。固氮酶是一种能够将分子氮还原成氨的酶。固氮酶是由两种蛋白质组成的:一种含有铁,叫做铁蛋白,另一种含有铁和钼,叫做钼铁蛋白。只有铁蛋白和钼铁蛋白同时存在,固氮酶才具有固氮的作用。

固氮微生物的联合在豆科作物中是有效的,具有很好的特性,但在谷物,包括玉米中是有限的。

TrPielt认为,从玉米起源地调查原始玉米地方品种,以鉴定玉米固氮内生菌,可能会有有趣的发现。

Estrada和他的同事们按照这一建议,研究了生长在墨西哥Oaxaca,Siela Mixe地区氮贫瘠土壤中种植的的土生玉米品种,并从当地居民的玉米品种分离出氮固定内生真菌。

分离菌株初步鉴定为一种新的Burkholderia种,但对大气二氮(N2)对植物的氮贡献没有测试。

研究表明根系分泌物在构建根际微生物群落中起着重要作用。


我们设想,独立的土生地方品种玉米,使用传统的做法,很少或没有肥料,可能形成某些策略,以提高植物在低氮营养条件下的表现。

大多数现代玉米品种中,气生根成熟后停止生长(箭头,图1A),在Siela Mixe地区的玉米气生根成熟后继续生长,形成比现代玉米多3~4倍数量的气生根(图1B)。

原始玉米分泌的含固氮微生物粘液有固氮作用

在发育的中途(七月至九月),有一定的湿度时,这些玉米气生根分泌大量的粘液,富含阿拉伯糖、岩藻糖和半乳糖(图2)。

原始玉米分泌的含固氮微生物粘液有固氮作用

利用16S rRNA基因的扩增、测序和鸟枪宏基因组测序,研究了Siela Mixe玉米的地下和气生根、茎和气生根粘液的微生物区系。

原始玉米分泌的含固氮微生物粘液有固氮作用

根际样品是最多样化的,并且在植物样品中,与植物的其他部分相比,气生根粘液具有最高的多样性,拟杆菌和蛋白细菌(β和γ)的相对丰度较高。

基于总群落组成样品的比较显示,粘液样本聚类与其他的植物和根际土壤样品,有统计意义的不同。

研究显示,在粘液和根际的宏基因组中存在所有6个核心nif基因,而在茎组织中仅是来自的6个核心nif基因的一个子集。

比茎组织有更高的主要nif基因(除nifD)的标准丰度表明粘液可能富含固氮微生物。

为了评估粘液含有固氮微生物群落的可能性,我们使用乙炔还原检测ARA、加入15N2气体测试固氮酶活性。

在粘液生产前,在地下根、叶、茎、甚至气根中没有检测到ARA活性。

相反,在含有粘液的气生根中检测到显著的ARA活性,并且在来自Siela Mixe的植物中分离的粘液中检测到显著的ARA活性。

ARA活性表明,Siela Mixe的玉米种子携带固氮细菌的内源性接种物,或者Seela Mixe玉米可以从当地环境中获得足够的固氮细菌。

乙炔还原在墨西哥类蜀黍黏液中很容易观察到,表明通过与固氮微生物群结合的支持固氮的粘液产物可能是玉米的一个古老特征。

为了评估支持固氮的粘液的特性,我们测试了2种系统发育不同的固氮细菌在接种了来自Sierra Mixe玉米气生根的粘液后减少乙炔的能力。

试验前,在-80℃下将粘液冷冻2周,然后解冻,解冻内源固氮酶活性。

当加入到粘液中时,两种固氮细菌,H. seropedicae和 A. brasilense, ,很容易检测到ARA活性。

细菌固氮酶是氧敏感和需要低氧保护(<5%)环境或生理保护机制,以及丰富的碳源,以获得该过程所需的能量。

为了确定粘液的性质是否足以支持固氮,我们用创立一种人工低氮培养基,用0.2%琼脂固化,将氧浓度降低到与在粘液中发现的几乎一样低的水平,来模拟这些粘液性质。

结果显示,这个人工重建的粘液ARA的活性显著,表明低氧气和气生根粘液提供的游离糖足以支持这些固氮菌固氮。

基于ARA,我们可以得出结论,来自Sierra Mixe玉米的粘液含有天然重氮营养物质,也可以支持外源接种的重氮营养物质,H. seropedicae, A. brasilense, 和B. unamae的定N2活性。

然而,这些数据并没有表明,气生根有采集和吸收固氮的能力。

为了测试空气中被携带重氮营养菌的粘液固定的N2是否可以被Sierra Mixe玉米转移和利用,我们使用15N自然丰度法和15N富集评估法,经过5年试验表明:在墨西哥Oaxaca,Siela Mixe地区氮贫瘠土壤中种植的的土生玉米品种,29%–82%的植物氮源于大气中的氮。

高水平的氮固定是由,或至少部分由气生根携带含糖丰富的粘液产品所支持的,气生根为这个复杂的固氮微生物群提供了场所。


参考文献


Nitrogen fixation in a landrace of maize is supported by a mucilage-associated diazotrophic microbiota

Allen Van Deynze , Pablo Zamora , Pierre-Marc Delaux , Cristobal Heitmann   †, Dhileepkumar Jayaraman, Shanmugam Rajasekar, Danielle Graham, Junko Maeda, Donald Gibson, Kevin D. Schwartz, Alison M. Berry, Srijak Bhatnagar, Guillaume Jospin,   Alan B. Bennett


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