人工智能引导多组学协同探讨木麻黄解磷微生物功能与机制的研究
批准号:
32071753
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
李键
依托单位:
学科分类:
树木生物学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
李键
中文摘要
低磷条件是限制东南沿海主栽防护林树种木麻黄生态功能发挥的主要原因之一。虽然微生物与林木磷吸收的关系被广泛关注,但缓解林木低磷胁迫的功能性微生物依然缺乏,其重要原因是缺乏精准、有效的表型组学手段,能够从复杂林间环境中把解磷微生物对林木的影响剥离出来。申请人前期利用基于人工智能的表型组学和宏基因组测序,发现了一株与木麻黄磷素利用密切相关的根系内生真菌。在此研究基础上,本项目拟采用多组学(表型组学、基因组学、微生物组学)协同,解析关键微生物缓解宿主木麻黄磷素受限的机制,明晰关键微生物在木麻黄环境适应性和连栽障碍中的关键作用,探索该菌株在人工组装菌群的应用前景。本项目的顺利实施,不仅能够获得一种精确降维、快速确定与林木表型相关的关键微生物的新技术体系,还将通过深入分析微生物与宿主木麻黄生物学功能的交互关系,为指导优化林木共生微生物组的开发和利用提供借鉴。
英文摘要
The low phosphorus is one of the main reasons for restricting the ecological function of Casuarina equisetifolia L., a tree planted in the main protection forest in the southeast coast. Although the relationship between microbe and phosphorus absorption has been widely concerned, functional microorganisms that alleviate low phosphorus stress in forests are still lacking. One of the important reason is the lack of precise and effective phenotyping methods that can take out of the effect of phosphate-solubilizing microbes from complex forest environments. Based on artificial intelligence-based phenomics and metagenomic sequencing, we found a root endophytic fungus that is closely related to phosphorus uptake in previous studies. Thus, the project intends to use multi-omics integration(phenomics, genomics, microbiome) to analyze the mechanism of key microorganisms to alleviate the phosphorus limitation of Casuarina equisetifolia L., and to clarify the key role of microbe in environmental adaptability and replant problem of Casuarina equisetifolia L., to explore prospects for utilization of this strain in artificially assembled microbiota. The successful implementation of this project will not only obtain a new technology system for accurate dimensionality reduction and rapid determination of key microorganisms related to forest tree phenotypes, but also optimize the guidance for the development and utilization of symbiotic microbiome through further analysis of the interaction between microorganisms and the biological function of Casuarina equisetifolia L..
木麻黄作为东南沿海重要防护林树种,在可持续经营过程中存在连栽障碍的问题,其中一个重要诱因是土壤磷素受限,而解磷共生微生物能够快捷有效地帮助宿主与困难立地条件适配。本项目针对木麻黄根部分离的解磷菌株PDRF3,从菌株溶磷的分子基础、菌株与宿主共生的时空格局、菌株对低磷响应的相关基因表达模式以及在南方主要用材林杉木和经济林毛竹的应用潜力几个方面入手,多组学交互验证菌株的生物学功能和应用前景。首先,采用互作转录组技术,分析磷胁迫下 PDRF3 侵染木麻黄根系前后基因表达的差异,获得共生相关基因CeF3H1、CeF3H2。通过瞬时转化两个共生基因并结合非靶代谢组技术,明确了两个基因是通过影响花旗松素 7-O-鼠李糖苷和原花青素 B1的表达量来影响根系类黄酮代谢物的分泌量,进而调节木麻黄与 PDRF3的共生关系。其次,本项目比较了磷敏感的‘Chihu219’和不敏感的‘Chihu397’两个木麻黄品系的表型,发现缺磷显著增加了Chihu219的根系生长、磷含量和磷吸收效率,而在Chihu397中没有观察到这些指标的显著差异。而后通过分析这些品系在不同磷条件下的转录组和代谢组,证明缺磷可以通过激活tZR积累调节基因CeIPT5来大大减少磷缺乏不敏感木麻黄的tZR积累,从而促进根系伸长和磷浓度增加,进一步明晰了木麻黄响应磷胁迫的分子机制。最后,本项目衡量了PDRF3对木麻黄、杉木、毛竹磷吸收的增益作用及共生的时空格局。对于木麻黄,环境变量对PDRF3侵染率的影响强弱为接菌时间 > 接菌温度 > 磷浓度,最佳接菌条件为30℃,连续侵染6 d,在低磷胁迫时接菌可以影响木麻黄幼苗的生长发育和养分吸收;对于杉木,最佳接菌条件为26℃、OD600=1.0 mmol/L,并且在Fe-P难溶磷源下对杉木的促生效果最好;对于毛竹,最佳接菌条件为接菌2次,磷浓度为10 mg/kg,并且低磷条件下PDRF3对毛竹侵染的时间越长,共生优势越明显。基于上述进展,项目负责人以第一/通讯作者共发表SCI论文4篇(包括中科院1区论文2篇,2区2篇),中文论文8篇;申请发明专利2项,获授权发明专利5项,各方面指标均超额完成任务书要求。
连栽障碍中化感物质对木麻黄幼苗毒害的机理及内生真菌拮抗功能研究
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批准号:31400533
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:26.0万元
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批准年份:2014
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负责人:李键
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依托单位:
国内基金
海外基金