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编译：Mr.Left，编辑：夏甘草、江舜尧。 原创微文，欢迎转发转载。 导读
植物促生菌（PGPB）可以促进根系吸收和超富集植物中镉（Cd）的茎积累，但是PGPB促进Cd从根到茎转运的机制仍然未知。必须更好地了解这些机制才可以开发出可以促进Cd污染土壤的实用植物提取修复的策略。在本研究中，作者通过检测木质部和韧皮部汁液并定量枝和根中的Cd和蔗糖浓度，发现荧光假单胞菌促进了东南景天中Cd和蔗糖的反向和长距离转运。转录组测序揭示了用PGPB荧光假单胞菌接种的Cd超富集植物东南景天的茎中淀粉代谢和蔗糖生物合成相关基因的表达上调。此外，糖，阳离子和阴离子转运蛋白的基因也通过细菌处理而上调，显示出与蔗糖生物合成相关基因的复杂共表达网络。接种PGPB后，Cd转运蛋白基因如ZIP1，ZIP2，HMA2，HMA3和CAX2的表达水平升高。结果表明，PGPB成功地定殖在根部，并促进了东南景天中的蔗糖从茎到根的运转运以及Cd从根到茎的转运。由于非光合根相关细菌通常从光合植物中获取糖分，本研究的结果凸显了PGPB诱导的超富集植物的变化对于宿主和PGPB的重要性。原名：Pseudomonas fluorescens accelerates a reverse and long-distance transport of cadmium and sucrose in the hyperaccumulator plant Sedum alfredii译名：荧光假单胞菌可促进超富集植物东南景天中镉和蔗糖的反向和长距离转运DOI号：10.1016/j.chemosphere.2020.1271561 荧光假单胞菌影响东南景天的生物量以及Cd和蔗糖的转运荧光假单胞菌成功地定殖在了东南景天的根内（图S1）。细菌接种后，与CK处理相比，BA处理显著增加了茎和根的干重（图1A和B）。在BA处理中，东南景天的茎和根部干重分别比CK处理高1.39倍和1.80倍。荧光假单胞菌接种的植物木质部汁液中的Cd含量升高（图1C）。BA处理的东南景天木质部汁液中的Cd含量比CK处理高2.17倍。此外，与CK处理相比，BA处理中韧皮部汁液中的蔗糖含量显著增加（图1D）。BA处理的东南景天韧皮部汁液中的蔗糖含量比CK处理高出2.33倍。
图1荧光假单胞菌对东南景天生物量以及Cd和蔗糖转运的影响。A：茎干重；B：根干重；C：木质部汁液中的Cd含量；D：韧皮部汁液中的蔗糖含量。误差棒代表4个独立重复样品的标准偏差（SD），而符号***表示在P <0.001水平上有显著差异。BA：细菌接种的植物，CK：未接种的植物。细菌接种后，与CK处理相比，BA处理显著提高了茎和根中的Cd浓度和Cd积累（表S2；图2A和B）。BA处理的东南景天的茎和根中的Cd积累分别比CK处理高2.01倍和2.76倍。整株植物中的Cd增加559.13 μg，茎中Cd含量增加493.54 μg（88％）（图2C）。然而，与CK相比，BA处理中Cd转移率略有降低（表S2）。此外，发现在荧光假单胞菌接种的植物中茎和根中蔗糖增加（图2D和E）。BA处理中的东南景天的茎和根中蔗糖比CK高出2.21倍和7.46倍。此外，4周后，整株植物中的蔗糖增加了2.23 mg，根部增加了1.75 mg（79％）（图2F）。
图2 荧光假单胞菌对东南景天中Cd和蔗糖分配的影响。A：茎中Cd的积累；B：根中Cd的积累；C：细菌接种后茎和根中Cd的增加；D：茎中蔗糖的积累；E：根中蔗糖的积累；F：细菌接种后蔗糖在茎和根中增加。误差棒代表4个独立重复样品的标准差（SD），而符号**表示在P <0.01的水平上有显著差异，而符号***在P <0.001的水平上有显著差异。BA：细菌接种的植物，CK：未接种的植物。转录组测序在CK和BA处理中分别产生了54.92和54.48万原始片段（表S3）。除去低质量片段后，在CK和BA处理中分别获得了分别8.08和7.95 G高质量碱基对的53.83和53.02百万个高质量片段。每个文库的测序错误率均远低于1％的极限，并具有较高的Q20和Q30值，表明测序质量较高。映射百分比从76.72到77.61％。细菌接种后总共获得了9688个差异表达基因（DEG）。其中，5678个基因被上调，而4010个基因被下调（表S3）。荧光假单胞菌接种后，有53个上调基因，编码与淀粉代谢和蔗糖生物合成有关的23种酶（表1，表S4）。红色小框指出的23种酶显示在KEGG代谢网络中（图S2）。此外，通过PGPB处理上调了编码6种糖转运蛋白的10个基因，包括SWEET11，SUC2和类ERD6 4、5、6、7（表2）。荧光假单胞菌接种后，有32个上调基因编码23种阳离子转运蛋白（表3）。包括Zn2+，Cu2+，Ca2+，Mg2+，K+和NH4+的转运蛋白。此外，通过细菌处理上调了6个编码5种阴离子转运蛋白的基因，包括硝酸盐和硫酸盐的转运蛋白（表S5）。表1 淀粉代谢和蔗糖生物合成中23个上调基因的注释。通过荧光假单胞菌接种，ZIP1，ZIP2，CAX2，HMA2和HMA3的相对表达水平分别提高了1.35、1.70、1.52、2.92、1.56倍（图3A–E）。其中，与CK相比，HMA2基因在BA处理中表现出最明显的增加。相关分析表明q-PCR和RNA-seq高度一致（R2 = 0.9209，图3F）。
图3 东南景天中Cd转运相关基因的相对表达水平。A：ZIP1的相对表达水平；B：ZIP2的相对表达水平；C：CAX2的相对表达水平；D：HMA2的相对表达水平；E：HMA3的相对表达水平；F：RNA-seq和q-PCR之间的相关性。为了揭示101个上调基因之间的相互作用，计算了它们成对表达模式的相关系数。相关系数用于可视化共表达网络。结果表明，来自4种途径（淀粉代谢/蔗糖生物合成，糖转运，阳离子转运，阴离子转运）的101个DEG中有90个参与了一个复杂的交互式网络，获得了889个关联（图4）。
图4 基因共表达网络分析。使用4个途径（淀粉代谢/蔗糖生物合成，糖转运，阳离子转运，阴离子转运）中101个上调基因的基因表达水平（来自RNA-seq）来计算Pearson相关系数。对具有相似表达模式（R> 0.99）的90个基因进行了网络图谱筛选。共获得889条线，其中线的颜色表示相关系数。超富集植物具有强大的吸收，转运和分隔重金属的能力，但是，几乎所有超富集植物的生物量都很小，这是植物修复实际应用的主要缺点。仅强调超富集植物的转运率的增加而忽略小生物量是超富集的缺点这一事实是不够的，因为通常超富集植物的转运率非常高。在本研究中，证明了PGPB荧光假单胞菌可以同时提高超富集植物东南景天的生物量和Cd浓度。另外，Cd积累在茎中增加最多（88％）。有趣的是，Cd转运率分别从3.45显著降低至3.19。因此，由PGPB触发的降低的转运率并不意味着Cd的超富集能力下降，而是一种保护机制，用于维持促进的生长和更高的Cd积累。在这里，得出的结论是，荧光假单胞菌可促进东南景天Cd从根到茎的转运，这是基于接种PGPB后木质部汁液中的Cd浓度较高以及枝条中Cd积累的升高，而不是基于Cd的转运率。在本研究中，东南景天地上部分中Cd浓度的增加可以用荧光假单胞菌接种后Cd转运蛋白表达的增加来解释。作为非必需元素，Cd没有特定的转运蛋白。Cd被植物的根吸收，通过木质部转运，并由韧皮部通过一些必需元素的通道重新分布，例如锌和钙。作者发现荧光假单胞菌接种可提高32种阳离子和6种阴离子转运蛋白的表达水平。这些是Zn2+，Cu2+，Ca2+，Mg2+，K+，NH4+，硝酸盐和硫酸盐的转运蛋白，因为促进的植物生长取决于必需养分的供应。使用q-PCR，分析了以前报道的转运Cd的五个基因（ZIP1，ZIP2，CAX2，HMA2，HMA3）的表达，所有这些基因均被上调。拟南芥ZIP家族有15个成员。已知ZIP家族成员会将诸如Fe，Mn，Cu，Zn等金属吸收到细胞中。但是，ZIP1和ZIP2有很大的不同，并显示它们参与了金属长距离转运。AtZIP1作为液泡转运蛋白，将锰和锌从液泡中转移到维管组织的细胞质中，并有助于拟南芥木质部内部金属的径向运动。另外，最近的一项研究报道，ZIP1具有在水稻中转运Cd的功能。与野生型植物相比，在维管组织和AtZIP2基因敲除植物中高表达的AtZIP2在根部显著积累更多的Zn和Mn，而在茎中则没有。这表明AtZIP2的功能是将金属转运到茎上。在另一项研究中，高Cd积累的青菜品种与低Cd积累的品种相比，ZIP2转运蛋白基因的表达水平更高，这表明ZIP2在植物中Cd的转运中发挥了作用。因此，在本研究中，PGPB接种后ZIP1和ZIP2的表达上调，表明东南景天中Cd从根到茎的转运增加。拟南芥HMA家族有8个成员，其中HMA2和HMA4在维管组织中表达，并且是拟南芥中Cd转运的主要参与者。在本研究中，东南景天HMA2的表达水平在细菌处理中显著提高，但未观察到SaHMA4的表达水平发生变化。在以前的研究中，重金属ATP酶基因HMA2而非HMA4，与非超富集生态型相比，在东南景天的超富集生态型中高表达。这些结果表明，在东南景天的Cd根茎转移中，HMA2可能比HMA4发挥更重要的作用，尤其是当植物被PGPB定殖时。在其他植物中，小麦中HMA2基因的过表达增强了水稻中Cd从根到茎的转运。与野生型相比，HMA2沉默的马蔺在木质部汁液中的Cd浓度明显降低，这导致Cd的根到茎的转运显著降低。因此，在本研究中，PGPB处理后HMA2的表达上调表明东南景天从根到茎的Cd转运增强。拟南芥CAX家族有6个成员。CAX2和HMA3（HMA家族）通过将Cd螯合到液泡中来促进金属的解毒作用，它们的表达是茎耐Cd的前提。在暴露于Cd后，SaHMA3在东南景天茎中的表达远高于根，而SaCAX2的转录在根中下调而在茎中上调。烟草植物中SaHMA3或SaCAX2的过表达显著增强了Cd浓度和植物生物量。本研究中，PGPB接种后HMA3和CAX2的表达上调显示了东南景天的茎Cd耐受性提高。大量研究报道，根定殖的PGPB可以促进植物的光合作用和干物质积累。然而，仍然不知道为什么微生物会这样做。在本研究中，作者重点研究了PGPB荧光假单胞菌接种后，超富集植物东南景天中增强的茎淀粉新陈代谢和蔗糖从茎到根的进一步加速转运。研究发现，属于淀粉代谢/蔗糖生物合成途径的53个上调基因和属于蔗糖转运蛋白家族的10个上调基因对细菌接种有响应。结果表明，细菌增加了整株植物，尤其是韧皮部中的蔗糖浓度。由于非光合根细菌通常直接或间接地从光合植物中获取糖，因此本研究的结果表明PGPB可以诱使宿主植物发生变化以发挥自身优势。在3个主要的糖转运蛋白家族中，MST和SUT在糖内流中发挥作用，而SWEET在韧皮部转运中发挥重要作用，主要在蔗糖外排和双向糖转运中发挥作用。在本研究中，发现在PGPB接种的东南景天中，编码6个糖转运蛋白的10个基因上调，包括SWEET11，SUC2（SUT家族）和类ERD6 4,5,6,7（MST家族）。在拟南芥中，SWEET家族中有17个成员，其中AtSWEET11在叶中高表达，并且在蔗糖从叶肉细胞合成位点到质外体的外排中起着重要作用。AtSWEET11和AtSWEET12是紧密的同源物，在氨基酸水平上有88％的相似性。AtSWEET11或AtSWEET12的单敲除突变体未显示任何明显的形态表型改变，而双重突变植物表现出预期的韧皮部形成受阻表型，即较小的植物，叶片淀粉水平升高，叶片固定14C输出减少，根系生长减少。因此，在本研究中，PGPB接种后SWEET11的表达上调表明东南景天茎到根的蔗糖转运增强。拟南芥SUT家族中有9个成员（SUT或SUC）。AtSUC2是韧皮部特异的质膜蔗糖转运蛋白基因，这是韧皮部从叶片细胞壁空间装载蔗糖所必需的。AtSUC2的缺失导致拟南芥生长受阻，发育迟缓和不育。因此，在本研究中，荧光假单胞菌处理后SUC2的表达上调，表明东南景天的茎到根的蔗糖转运得到改善。MST是一个复杂的转运蛋白家族，包含7个亚家族。类ERD6是MST子家族之一。类ERD6基因家族的成员研究很少。唯一知道的是它们在拟南芥的糖运输中发挥作用。未来的研究应该更多地关注类ERD6基因家族。在本研究中，荧光假单胞菌接种后类ERD6基因家族成员的上调表达表明东南景天中的糖转运被激活。3 共表达网络强调超富集植物与PGPB之间的有益相互作用在较早的研究中，基于Cd胁迫下的比较转录组测序和共表达调控网络分析，在东南景天中，许多具有强互连性的共表达基因被定义为可能与Cd响应相关的中枢基因。在拟南芥中，发现AtSWEET11（蔗糖转运蛋白）与参与蔗糖生物合成（例如蔗糖磷酸合成酶，EC：2.4.1.14）和韧皮部装载（例如蔗糖转运蛋白SUC2）的基因共表达。但是，在超富集植物中，糖和Cd转运之间的关系仍然缺乏研究。在这项研究中，对荧光假单胞菌接种和对照植物进行了共表达网络分析。本研究发现来自4个途径（淀粉代谢/蔗糖生物合成，糖运输，阳离子转运，阴离子转运）的101个上调基因中有90个显示出复杂的共表达网络，其中889个获得了相关性。生理结果表明，荧光假单胞菌加速了超富集植物东南景天中Cd和蔗糖的反向和长距离转运。这意味着由细菌接种诱导的转录变化是高度相关的，并且生理结果对宿主和PGPB都有利。在本研究中，通过生理学和转录组学方法研究了在荧光假单胞菌接种的东南景天中Cd和蔗糖的长距离转运。作者发现细菌接种显著提高了木质部汁液中的Cd含量和韧皮部汁液中的蔗糖含量。茎中Cd积累的增加总计占88％，而根中蔗糖积累的增加总计占79％，这表明PGPB处理后两种材料的反向转运。此外，转录组分析中涉及淀粉代谢/蔗糖生物合成，糖转运，阳离子转运和阴离子转运的101个上调基因也支持这一观点。本研究的结果为通过在Cd超富集植物中应用植物促生菌制剂为加强Cd污染土壤的实际植物修复奠定了理论基础。重金属超富集植物是修复重金属污染土壤的重要策略，本研究通过研究植物促生菌荧光假单胞菌对Cd超富集植物东南景天的影响，通过生理学检测和转录组学分析发现荧光假单胞菌接种后可以显著提高东南景天木质部汁液中的Cd含量，并提高了韧皮部汁液中的蔗糖含量，而Cd积累主要在茎中，蔗糖积累主要在根中，可见植物促生菌接种促进了Cd和蔗糖的反向和长距离转运。本研究为Cd超富集植物东南景天的实际应用提供了理论基础，并突出了超富集植物与植物促生菌共生相互作用的双向效益。
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