Evidence of a trade-off between root aeration and architecture in Vallisneria natans in the presence of Pseudomonas putida KT2440

在惡臭假單胞菌KT2440存在下，苦草根部通氣與結構之間權衡的證據(jù)

來源: Aquatic Botany 162 (2020) 103189

《水生植物學》第162卷，2020年，文章編號 103189

 

摘要:

摘要闡述了本研究探討了在植物根際促生菌（PGPR）存在下，植物根部可塑性與根部氧氣動態(tài)之間的關系。研究使用無菌系統(tǒng)，觀察了苦草（Vallisneria natans）的根部結構、徑向氧損失（ROL）模式以及內部氧氣運輸在接種常見PGPR菌株惡臭假單胞菌KT2440后的變化。結果表明，苦草根部不存在徑向氧損失屏障，整個根表面具有相同的釋氧能力。然而，這種形態(tài)特征刺激了KT2440的外部氧氣需求，從而減少了根部內部的氧氣運輸。此外，受KT2440影響而改變的根毛（RHs）分布也顯著影響了內部氧氣運輸。改變后的根毛分布最小化了根上半部的氧損失，并且具有重疊根際的密集不定根在根基部周圍形成了一個高氧區(qū)，這些變化保護根部抵抗低氧條件。同時，根下半部大量的根毛可以增加從缺氧沉積物中吸收養(yǎng)分。結論指出，苦草的根部通氣與結構之間存在復雜的權衡關系，這可能有助于該植物在KT2440存在時適應水下環(huán)境。

 

研究目的:

本研究旨在探究在PGPR（此處特指惡臭假單胞菌KT2440）存在下，水生植物苦草（Vallisneria natans）的根部可塑性（包括根部結構和根毛分布）與其根部氧氣動態(tài)（包括內部氧氣運輸和徑向氧損失）之間的關系。

 

研究思路:

1.  建立無菌（gnotobiotic）瓊脂培養(yǎng)系統(tǒng)，用于培養(yǎng)苦草幼苗。

2.  將實驗分為兩組：一組不接種細菌（無菌對照組，-KT2440），另一組接種惡臭假單胞菌KT2440（接種組，+KT2440）。

3.  培養(yǎng)一定時間（如7天）后，進行以下觀測和測量：

    a.  觀察并記錄植物的基本形態(tài)特征（如根數(shù)、葉數(shù)、生物量等）。

    b.  使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察KT2440在根部的定殖情況。

    c.  使用顯微鏡觀察并量化根毛（RHs）在根上半部（UR）和下半部（LR）的分布和數(shù)量變化。

    d.  使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)測量根部不同位點（根長的1/4、1/2、3/4處及根尖）的內部氧氣濃度以及根際周圍的氧氣濃度梯度剖面。

    e.  根據(jù)氧氣濃度梯度數(shù)據(jù)，計算徑向氧損失（ROL）速率。

4.  對比分析接種組與對照組在所有觀測和測量指標上的差異。

5.  結合所有數(shù)據(jù)，解釋KT2440如何通過改變根部結構和氧氣消耗來影響苦草的根部氧氣動態(tài)和功能，并討論其生態(tài)學意義。

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義:

1.  植物形態(tài)學數(shù)據(jù)（如表1所示）：包括根孔隙度、根數(shù)量、葉數(shù)量、葉寬、總生物量。研究意義：確保KT2440接種本身在實驗期間沒有對植物的基本生長造成顯著影響，從而將后續(xù)觀察到的差異主要歸因于細菌對根部結構和氧氣動態(tài)的特異性影響。

 

2.  細菌定殖情況（如圖2所示）：通過SEM圖像顯示KT2440在根表不同位置的定殖。研究意義：證實KT2440成功附著并定殖于苦草根部，特別是在根長的3/4處有較多聚集，為解釋該區(qū)域氧氣消耗增加提供依據(jù)。

 

3.  根毛形成與分布（如圖3所示）：量化并比較對照組和接種組根上半部（UR）和下半部（LR）的根毛數(shù)量。研究意義：證明KT2440顯著改變了根毛的分布模式（減少上半部根毛，增加下半部根毛），這種結構改變是影響氧氣損失和可能營養(yǎng)吸收的關鍵因素。

 

4.  氧氣動態(tài)數(shù)據(jù)（如圖4所示）：

    a.  內部根氧濃度：測量根部不同位點內部的氧氣濃度（以空氣飽和度%表示）。研究意義：直接反映氧氣在根部內部的運輸和可用性情況，顯示KT2440的氧氣消耗導致內部氧濃度顯著降低，特別是向根尖方向劇減，影響根尖代謝和生長。

    b.  根際氧濃度剖面：測量從根表面向外不同距離的氧氣濃度，繪制氧氣梯度曲線。研究意義：揭示根部向周圍環(huán)境釋放氧氣（ROL）的范圍和強度，顯示KT2440的消耗使得根際氧化區(qū)變得非常薄。

    c.  徑向氧損失（ROL）速率：根據(jù)氧濃度剖面計算得出。研究意義：定量表示根部向根際釋放氧氣的速率，顯示KT2440刺激了特定區(qū)域（如根長1/4處）的ROL，但同時由于內部氧被消耗，總體ROL模式發(fā)生改變，根尖ROL速率反而降低。

 

結論:

1.  惡臭假單胞菌KT2440能夠定殖于苦草根部，并顯著改變其根毛的分布，減少根上半部的根毛數(shù)量，增加根下半部的根毛數(shù)量。

2.  苦草根部不存在徑向氧損失屏障。

3.  KT2440的定殖和代謝活動增加了根部的氧氣需求，消耗了內部氧氣，從而顯著降低了根部的內部氧氣濃度，阻礙了氧氣向根尖的縱向運輸，導致根尖處于極度低氧狀態(tài)。

4.  根部結構的改變（上半部根毛減少）是一種適應性反應，有助于減少根上半部的氧氣損失，與密集的不定根共同作用，可能在根基部維持一個相對高氧的微區(qū)，保護根部。

5.  根下半部根毛的增加可能有助于增強在缺氧沉積物中的營養(yǎng)吸收能力。

6.  研究表明在KT2440存在下，苦草的根部通氣（氧氣運輸與損失）和根部結構（特別是根毛分布）之間存在一種復雜的權衡關系，這種權衡有助于植物在水下環(huán)境中適應由根際微生物活動引起的氧化還原條件變化。

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義:

使用丹麥Unisense微電極測量得到的數(shù)據(jù)具有極高的空間分辨率，能夠精確測量根部微觀尺度（微米級）的氧氣濃度梯度。本研究的意義在于：1. 它直接、準確地揭示了KT2440定殖如何顯著改變苦草根部的內部氧氣環(huán)境（內部O2濃度降低，特別是根尖缺氧）和根際氧氣擴散區(qū)（氧化層變薄）。這些細微變化是傳統(tǒng)宏觀測量方法無法捕捉的。2. 通過測量根際氧剖面，使得計算精確的、位點特異性的徑向氧損失（ROL）速率成為可能，從而定量化地證明了雖然苦草整體ROL能力開放，但微生物消耗和內部O2運輸受限共同塑造了特定的ROL模式（如基部ROL高，尖端ROL極低）。3. 這些高精度數(shù)據(jù)為理解植物-微生物互作中的資源（氧氣）競爭提供了直接證據(jù)，將微生物活動（KT2440耗氧）與植物生理功能（內部O2運輸、根尖能量代謝）和形態(tài)適應（根毛分布改變）直接聯(lián)系起來，闡明了其內在機制。4. 該方法驗證了基于根部結構觀察（如無ROL屏障、根毛分布）的推論，使研究結論更加可靠和深入。