脐橙根际解磷菌的分离鉴定及全基因组测序分析

时间:2023-09-28 15:10:07 来源:网友投稿

郭小丹 唐珊 余水静

摘要:高效解磷菌的分离,可促进实用型生物肥料的开发,是实现对作物的可持续性供磷以维护环境健康与土壤生产力的有力保障。以江西省赣州市某果园脐橙根际土壤作为试验材料,用平板筛选法筛选分离12株具有解磷能力的菌株,并结合钼锑抗比色法评估分离菌株的解磷能力,最终筛选出3株解磷菌(菌株编号为QCGJ-B01、QCGJ-B02、QCGJ-B04),这些菌株表现出高溶磷指数(范围为1.71~2.50)、强解磷能力(范围为280.75~317.48mg/L)、低pH值(范围为4.08~4.77)。结果显示,pH值与解磷量呈负相关,表明酸化是3株解磷菌解磷的主要机制。对解磷能力最强的QCGJ-B01进行全基因组测序分析,并基于管家基因鉴定得出,QCGJ-B01是新洋葱伯克霍尔德菌。全基因组数据显示,QCGJ-B01的基因组大小为8127322bp,G+C含量为66.98%,预测到7425个基因,所有预测和注释的基因序列都分配到KEGG通路中,检测了有机酸合成与磷酸盐代谢相关基因。本研究发现,QCGJ-B01具有无机磷增溶基因(gdh、pqqB、pqqC、pqqD、pqqE、gltA)和磷酸盐转运系统基因(pstS、pstC、pstA、pstB、phoR-phoB、phoU)。此外,本研究还发现QCGJ-B01缺乏矿化磷酸酯的基因和编码磷酸酯转运蛋白的基因,可能使其无法利用额外的有机磷源,不利于其在不存在有效磷的环境中生存。QCGJ-B01高效的解磷能力有益于将其用作生物肥料,并且其全基因组数据有助于更好地理解其解磷性状的遗传基础。

关键词:脐橙;
根际解磷菌;
筛选分离;
解磷能力;
全基因组测序

中图分类号:S154.3;
S182文献标志码:A

文章编号:1002-1302(2023)10-0039-09

磷(P)是植株生长发育必需的养分之一,在植株的干质量中占比约0.2%[1]。磷素不仅参与生物大分子的合成(核酸、ATP、酶、磷脂),也对植物的各种生命活动(呼吸作用、光合作用和信号传导)起着积极作用[2-4]。土壤中的总磷含量约占0.05%,可供植物吸收的有效磷含量则只占总磷含量的01%[5],这与磷元素易被固定并且移动性极差有关[6-7]。土壤中磷素储备的匮乏通常通过施加大量磷肥来弥补,可以保证作物吸收到充足的磷,以营求更高的产量,但是实际上作物对磷肥的利用率仅有5%~25%[8-9],这是由于磷肥中的可溶性磷易与土壤中的阳离子(Ca2+、Fe3+、Al3+或Zn2+)结合而沉淀,与土壤固相表面(碳酸钙、氧化铝、氧化铁和硅酸铝)相互作用而被吸附,且易被其他土壤生物吸收转化成有机磷而固定[10-11],使得磷肥中70%~90%的可溶性磷都无法被植株吸收利用[12]。磷肥的大量施用也将导致环境污染问题,如有毒元素(硒、砷)的积累、土壤养分失衡甚至进入地下水体引起水体富营养化[13-15]。为了避免使用磷肥带来的负面影响,寻求一种环境友好、资源节约且可持续为作物供磷的方法意义重大。

解磷菌(phosphatesolubilizingbacteria,PSB)可通过酸解、酶解、呼吸作用和NH+4同化作用等方式将土壤中的难溶性磷转化成有效磷,并且能防止释放出的有效磷再次转化成难溶性磷[16-18]。因此,将PSB作为化学磷肥的替代品,在可持续农业中有广阔的应用前景。PSB可以分泌低相对分子量的有机酸(柠檬酸、苹果酸、丁二酸、草酸、葡萄糖酸等),而有机酸在环境基质中自由扩散,通过降低pH值和络合金属阳离子,能够把土壤中的不溶性无机磷酸盐转化成植物可利用的游离态磷酸盐离子[19]。筛选出高效PSB并将其作为生物肥料回接入土壤中是促进作物生长和提高作物产量的有效方法[20]。在过去几十年里,研究者从土壤和植物根际分离了大量PSB,如假单胞菌属、肠杆菌属、芽孢杆菌属、欧文氏菌属、固氮菌属、根瘤菌属、慢生根瘤菌属、不动杆菌属、黄杆菌属、克雷伯氏菌属和微球菌属等菌株都是土壤中常见的高效PSB[8,21-22]。

基因的研究不仅能在更深层次理解生物个体的特殊性,也有助于揭示生物特殊功能的作用机制[23]。通过对菌株的全基因组测序可以获得菌株的基因组序列,以此来注释其重要的基因和蛋白,进一步了解其功能、作用及调控机制。全基因组测序是目前研究微生物进化和遗传等机制及主要功能基因的关键工具[24]。众多微生物都有解磷特性,但目前并没有发现特异的解磷基因。关于提升PSB解磷能力的研究大多集中于筛选条件的选择和培养条件的优化。本研究基于筛选的高效解磷菌株的全基因组序列,对菌株的磷代谢途径和溶磷有关基因进行分析,明确其功能和作用及调控机制,以期为探究其解磷性状和遗传背景提供基础。

1材料与方法

1.1土样采集

土壤样品于2021年10月采自江西省赣州市某脐橙果园(地理位置:26°12′30″N,115°11′11″E),将果园划分成6个区域,每个区域选取5棵优质高产且对应树龄在10年以上的脐橙树进行取样。在选定的脐橙树滴水线区域向下挖20~30cm深度采集根际土壤,将采集的土壤样品收纳在灭菌塑料袋中,在4℃冰箱中保存备用。

1.2解磷菌的筛选

平板初筛:称取5g过30目筛的土样,加入95mL无菌水中,摇床振荡30min(30℃,180r/min)制备母液。采用梯度稀釋法稀释母液,取连续稀释所得土壤悬浮液(稀释倍数为103、104、105)100μL涂布到以磷酸三钙(TCP)为唯一磷源的无机磷(IP)琼脂培养基[含有10.00g/L葡萄糖、0.50g/L(NH4)2SO4、0.30g/LMgSO4·7H2O、0.30g/LNaCl、0.30g/LKCl、0.03g/LFeSO4·7H2O、0.03g/LMnSO4·H2O、5.00g/LCa3(PO4)2、5.00g/L琼脂,pH值为7.0~7.5]上[25]。每个处理设3次重复,于(30±1)℃培养7d。出现清晰透明圈的菌落即认为是具有溶解难溶性磷酸盐能力的菌株[26-27]。将选中的菌株单独以划线法在IP琼脂培养基上纯化培养2~3代,纯化后的菌落接种在IP斜面培养基上,于4℃保存以备进一步的研究使用。

1.3菌株的溶磷能力分析

1.3.1菌株解磷能力的定性分析将分离所得菌株点接于IP琼脂培养基上,在(30±1)℃培养7d,每个菌株设3次重复。随着菌落的生长,其周围逐渐出现的透明区域代表TCP发生溶解。溶磷指数(SI)=透明圈直径(D)/菌落直径(d),用SI初步评估不同菌株的解磷能力[28]。

1.3.2菌株解磷能力的定量分析用LB液体培养基活化解磷菌株来制备菌悬液(D600nm=0.7),按照2%的接种量接入装有IP液体培养基(不加琼脂)的锥形瓶中。摇床培养[(30±1)℃,180r/min]7d后取样,在6000r/min离心20min,取上清液,用钼锑抗比色法测定上清液中的有效磷浓度[29]。每个处理重复3次,并以接种等量无菌水的IP液体培养基作为空白对照(CK)。

1.4菌株7d动态溶磷量和pH值的测定

有效磷浓度的测定方法同“1.3.2”节,pH值用pH计测定,每24h测定1次,连续测定7d。

1.5全基因组的测序和注释

基于denovo测序技术对QCGJ-B01基因组进行测序,利用生物信息学手段从头组装得到基因组序列。采用二代+三代即IlluminaHiseq+PacBio的测序方式,要求每个样品同时提供不低于基因组100倍的PacBio测序数据和100×Illumina测序数据,保证更完整更精确的组装,得到细菌基因组完成图。用FastQC、Trimmomatic(Version0.36)等软件对原始数据进行质控和过滤,用SOAPdenovo(Version2.04)完成基因组的组装,用Glimmer(Version3.02)、barrnap(Version0.9)、tRNAscan-SE(Version2.0)等软件对基因组进行预测,用CGView(Version2)软件构建圈图,对解磷菌株QCGJ-B01的基因组进行展示。对预测和注释的基因序列进行分析,并根据与KEGG途径的比较,通过人工检查分配的基因功能,以确定有机酸合成和磷代谢途径的存在。全基因组测序工作由上海美吉生物医药科技有限公司完成。

基于菌株的31个管家基因(house-keepinggenes:dnaG、frr、infC、nusA、pgk、pyrG、rplA、rplB、rplC、rplD、rplE、rplF、rplK、rplL、rplM、rplN、rplP、rplS、rplT、rpmA、rpoB、rpsB、rpsC、rpsE、rpsI、rpsJ、rpsK、rpsM、rpsS、smpB、tsf)序列,基于Blast+软件在上海美吉生物医药科技有限公司的本地数据库中进行比对分析,选择在种属水平上最接近的19株菌株,通过MEGA6.0软件选择邻接法(neighbor-joining,NJ)构建系统发育树。

1.6统计分析

每个处理均设3次重复,试验数据用SPSS16.0软件进行差异显著性分析。

2结果与分析

2.1解磷菌的分离和筛选

将来自脐橙根际的菌株接种到IP琼脂培养基上,菌株是否能生长与其能否利用TCP形式的无机磷有关。从平板上生长的66个菌落中挑取12个菌落结构独特的菌株,发现其周围均产生了清晰的透明圈,这是由于菌落周围区域的剧烈酸化导致TCP溶解。选择其中4个菌落及其透明圈展示在图1中。

由表1可以看出,12株PSB在菌落的形态特征上均有差异,根据菌落形态特征不同,认为这12株菌株属于不同菌种。这些分离株在IP琼脂培养基上生长7d后,形成了大小明显不同的透明圈和菌落。由表2可以看出,各菌株表现出不同的解磷能力,各菌株的溶磷指数(SI)范围为1.048~2.500,其中QCGJ-B01的SI最大(2.500),其次是QCGJ-B04(2.043)和QCGJ-B02(1.706)。QCGJ-B04的透明圈直径(2.35cm)和菌落直径(1.15cm)都最大。

7d解磷量是评价菌株溶磷能力的又一个重要指标。用IP液体培养基对12株解磷菌的进一步筛选试验结果(图2)显示,12株PSB的解磷量为6411~303.14mg/L,菌株QCGJ-B01具有最高的TCP溶解能力(解磷量为303.14mg/L),其次是QCGJ-B02(解磷量为280.84mg/L)。2个试验结果均显示,解磷菌株QCGJ-B01的解磷能力最强,其次是QCGJ-B02,而QCGJ-B04产生了直径最大的透明圈和菌落,但其7d解磷量却最低(64.11mg/L)。因此,将QCGJ-B01与QCGJ-B02、QCGJ-B04共3株PSB共同加入下部分试验中。

2.23株PSB7d的动态解磷量和pH值

对菌株7d的动态解磷量和pH值的测定有助于进一步了解菌株的解磷能力和明确有效磷浓度与pH值之间的相关性,从而初步判断酸化是否是菌株解磷的主要策略。在7d培养过程中,3株PSB培养基中的有效磷浓度和pH值的变化见图3。可以看出,随着菌株解磷量的上升,pH值也随之下降。菌株QCGJ-B01在培养48h达到最大解磷量(317.48mg/L)和最低pH值(4.08)。菌株QCGJ-B02在培养96h达到最大解磷量(283.50mg/L)和最低pH值(4.77)。菌株QCGJ-B04在培養24h达到最大解磷量(280.75mg/L)和最低pH值(443)。表明菌株通过分泌有机酸降低培养基pH值,释放了大量有效磷。3株菌株在培养前24h解磷量的增速最快,培养24h后QCGJ-B01、QCGJ-B02菌株解磷量的增速放缓,达到最大值后有小幅度波动。与以上2株菌株不同的是,QCGJ-B04的解磷量在培养24h时达到最大值后便急剧下降,甚至比空白对照(CK)的解磷量(22.4mg/L)更低。QCGJ-B04的pH值也在培养24h后急剧上升,最高达8.25,高于空白对照的pH值(7.10)。在空白处理中检测到很少的可溶性磷,pH值也十分稳定,与初始pH值(7.08)相差不大。由图4可知,解磷量与pH值间存在显著负相关关系(r2=0.9433)。

2.3全基因组序列分析

2.3.1基因组特征与种内系统发育分析测序结果显示,菌株QCGJ-B01的基因组大小为8127322bp,G+C含量为67.58%,基因组特征的细节展示在图5中。预测的QCGJ-B01基因总数为7425个,包括66个tRNA和4个rRNA编码基

因。16SrRNA基因序列在同一细菌物种中高度保守,因此它们经常用于识别和分类微生物。为了鉴定QCGJ-B01,使用BLASTn将16SrRNA基因在NCBI数据库中进行比对,通过比对发现,QCGJ-B01与洋葱伯克霍尔德菌的相似性高达99.929%,QCGJ-B01与伯克霍尔德菌属其他菌种的相似性匹配度也较高(99.788%~99.929%)。上述分析结果表明,菌株QCGJ-B01属于洋葱伯克霍尔德菌群,该菌群有不少于20种菌种,包括Burkholderiaanthina、新洋葱伯克霍尔德氏菌(B.cenocepacia)、洋葱伯克霍尔德氏菌(B.cepacia)、污染伯克霍尔德氏菌(B.contaminans)、B.lata、吡咯伯克霍尔德菌(B.pyrrocinia)和稳定伯克霍尔德菌(B.stabilis)等。16SrRNA基因无法清楚地区分洋葱伯克霍尔德菌群中的菌种,而使用管家基因可以更好地辅助细菌物种的分类,并且已经由许多研究证实[30]。因此,本研究基于管家基因创建了系统发育树,系统发育树通过邻接法获得相关分类群的代表性菌株。由图6可以看出,QCGJ-B01和新洋葱伯克霍尔德菌(B.cenocepacia)的亲缘关系最接近,序列相似性达99.2%。

2.3.2有机酸合成与磷代谢基因分析QCGJ-B01有许多与有机酸合成和磷酸盐代谢有关的基因,赋予菌株相关性状的基因见表3。葡萄糖酸(GA)被认为是大多数细菌中负责溶解无机磷酸盐的主要有机酸之一[31]。GA可由醌蛋白葡萄糖脱氢酶(GDH)及其辅因子吡咯喹啉醌合成蛋白(PQQ)共同作用而合成。QCGJ-B01是一株高效解磷菌株,基因组分析结果表明,QCGJ-B01具有编码GDH的基因,并携带氧化还原辅因子pqq基因,包括pqqB、pqqC、pqqD、pqqE基因,缺乏pqqA基因。

pqqA是一种由24个氨基酸组成的短肽,是转化为PQQ的前体[32]。但Toyama等的研究发现,在甲基杆菌PQQ的生物合成过程中,由pqqA编码的酶是非必需的[33]。此外研究者还发现QCGJ-B01具有柠檬酸合成酶基因(gltA)。许多研究结果表明,磷酸酯的矿化是土壤有效磷的又一个主要来源,它是一种有机磷化合物,包含1个碳—磷(C—P)键,而不是众所周知的磷酸酯键(C—O—P)[34]。phn基因簇指导合成的碳—磷键裂解酶可使菌株将磷酸酯水解成磷酸盐和烷烃。QCGJ-B01具有phnA、phnB、phnW基因,其中phnA是膦酰乙酸降解所必需的,但是它缺失了大部分合成碳—磷键裂解酶复合物所需的基因,包括phnE~phnO,表明QCGJ-B01可能缺乏矿化磷酸酯的能力。

细菌对一般是通过质膜上特定的磷化合物转运蛋白完成对磷的吸收,包含通过pstS、pstC、pstA、pstB编码基因合成的无机磷酸盐特异性转运蛋白和通过phnE、phnD、phnC编码基因合成的磷酸酯转运蛋白。QCGJ-B01具有pstS、pstC、pstA、pstB基因但未携带phnE、phnD、phnC基因,pstS、pstC、pstA、pstB编码基因的激活受到磷缺乏响应调控系统的控制。QCGJ-B01的磷缺乏响应调控系统由双组分调节系统phoR(磷酸盐调节感应激酶)-phoB(磷酸盐调节反应调控子)控制[35]。phoR通过磷酸化转录因子phoB来响应磷酸盐的缺乏,然后phoB与称为phoBOX的DNA序列结合,以激活或抑制基因的转录。除此之外,还发现QCGJ-B01具有phoU基因,phoU是一种金属结合蛋白,是在磷充足时进行phoB的去磷酸化所必需的,以避免不受控制的磷酸盐摄取[35]。

3讨论

本研究以脐橙根际土壤为材料分离解磷菌,这是因為与非根际土壤相比,根际土壤中的PSB种群数量要高得多[36]。本研究分离出了12株菌落周围能产生透明圈的菌株。根据溶磷指数(SI>1.5)和解磷能力(7d溶磷量>250mg/L)指标,筛选出了3株最佳菌株(QCGJ-B01、QCGJ-B02、QCGJ-B04),其中菌株QCGJ-B01的溶磷指数最大(SI=2.500)且解磷量最高(317.48mg/L)。进一步对3株菌株在7d中的动态解磷量和pH值变化进行监测,发现QCGJ-B01、QCGJ-B02的pH值分别在48、96h降到最小值,解磷量达到最大值,随后在一个范围内波动,总体呈下降的趋势。这是由于菌株在适宜的pH值范围内才会展现出最佳的解磷活性,而偏酸性的环境不适合菌株的生长,所以当pH值下降到一定程度时,解磷过程将会受到限制,这与Qian等的试验结果[37]一致。QCGJ-B04与QCGJ-B01、QCGJ-B02的表现不同,在24h达到最大解磷量和最小pH值后,解磷量急剧下降,pH值急剧上升,随后一直处于低溶磷量、高pH值的状态。Pérez等也发现了类似的情况,这是因为菌株生长迅速,在培养基中达到了高细胞密度,因此需要消耗大量磷来维持菌株的生长[38]。而且QCGJ-B04在IP琼脂培养基上表现出了比其他菌株更大的菌落。上述结果都证明QCGJ-B04生长迅速,消耗了大量有效磷。菌株在细菌生长过程中,pH值的下降伴随着培养基中可溶性磷含量的上升,pH值的(4.08)最低值与最高的溶磷量(317.48mg/L)同时出现。可溶性磷含量与pH值呈负相关(r2=0.9433)。这与Chen等的研究结果[39-40]一致。pH值的下降可能是由于有机酸的产生,表明酸化是该菌株溶解难溶性磷酸盐的主要策略[41-42]。

有研究发现,土壤中的PSB数量十分可观,无论是好氧菌株还是厌氧菌株均有被发现,如假单胞菌属、芽孢杆菌属、根瘤菌属、伯克霍尔德菌属、无色杆菌属、农杆菌属、微球菌属等,并且新的PSB菌株也在不断涌现。本研究对解磷能力最强的菌株QCGJ-B01进行了全基因组测序,通过菌种鉴定,确定QCGJ-B01为新洋葱伯克霍尔德菌株(B.cenocepacia)。B.cenocepacia是一种高GC含量的革兰氏阴性菌,因其具有多条染色体、基因组岛和大量插入序列,使其基因组具有高可塑性[43-44]。伯克霍尔德氏菌属在许多研究中被发现具有溶解难溶性磷酸盐的能力,但良好的磷酸盐溶解能力不是新洋葱伯克霍尔德菌的普遍性状[45-50]。葡萄糖酸是革兰氏阴性菌中发现最多的关于溶解难溶性磷酸盐的基因,研究发现B.cenocepaciaQCGJ-B01具有编码gdh的基因,并携带氧化还原辅因子pqq基因[51-52]。You等分离出的B.cenocepaciaCR318中的醌蛋白葡萄糖脱氢酶编码基因缺失并表现出更低的溶磷指数(SI=2.00)[50],表明负责葡萄糖酸合成的基因可能是提升新洋葱伯克霍尔德菌解磷能力的关键因素之一。此外,还有研究发现QCGJ-B01具有柠檬酸合成酶基因(gltA),增强了菌株分泌有机酸的能力,从而增加了难溶性磷酸盐的可用性。QCGJ-B01还携带pstS、pstC、pstA、pstB、phoR-phoB、phoU基因,QCGJ-B01通过基因组pstS、pstC、pstA、pstB负责的磷酸盐转运系统部分吸收无机磷酸盐。B.cenocepaciaQCGJ-B01缺乏矿化磷酸酯的基因(phnE~phnO)和编码磷酸酯转运蛋白的基因(phnE、phnD、phnC),可能使其无法利用额外的有机磷源,不利于其在不存在有效磷的环境中生存。目前,关于具有溶解磷酸盐能力的新洋葱伯克霍尔德菌的全基因组测序鲜有报道,本研究数据可能有助于更好地理解这一性状的遗传基础。

4结论

经过筛选分离,本研究得到3株解磷能力尤其突出的菌株QCGJ-B01、QCGJ-B02、QCGJ-B04,它们在释放大量有效磷的同时也降低了溶液pH值,初步确定酸化是其主要溶磷机制。此外,本研究得到了QCGJ-B01全基因组序列,其基因组大小为8127322bp,G+C含量为67.58%,预测到7425个基因,包括66个tRNA和4个rRNA编码基因。基于管家基因鉴定QCGJ-B01为新洋葱伯克霍尔德菌。并且在全基因组水平揭示了B.cenocepaciaQCGJ-B01具有无机磷增溶基因(gdh、pqqB、pqqC、pqqD、pqqE、gltA)和磷酸盐转运系统基因(pstS、pstC、pstA、pstB、phoR-phoB、phoU)。此外,发现QCGJ-B01缺乏矿化磷酸酯的基因和编码磷酸酯转运蛋白的基因,可能使其无法利用额外的有机磷源,不利于其在不存在有效磷的环境中生存。研究呈现了QCGJ-B01全基因组数据,特别是关于菌株的解磷基因,这将有助于进一步了解QCGJ-B01和其他类似生物关于解磷与磷代谢的复杂生物学机制,并可能进一步深入了解该菌株作为生物肥料在农业领域的实际应用。

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