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

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之間的關系。研究使用無菌系統，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，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（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）瓊脂培養系統，用于培養苦草幼苗。

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特征（如根數、葉數、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）的分布和數量變化。

    d.  使用丹麥Unisense微電極系統測量根部不同位點（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.  根據氧氣濃度梯度數據，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.  結合所有數據，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和功能，并討論其生態學意義。

 

測量的數據及研究意義:

1.  植物形態學數據（如表1所示）：包括根孔隙度、根數量、葉數量、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，從而將后續觀察到的差異主要歸因于細菌對根部結構和氧氣動態的特異性影響。

 

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，為解釋該區域氧氣消耗增加提供依據。

 

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吸收的關鍵因素。

 

4.  氧氣動態數據（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變得非常薄。

    c.  徑向氧損失（ROL）速率：根據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量，增加根下半部的根毛數量。

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。

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，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電極測量數據的研究意義:

使用丹麥Unisense微電極測量得到的數據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境（內部O2濃度降低，特別是根尖缺氧）和根際氧氣擴散區（氧化層變薄）。這些細微變化是傳統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. 這些高精度數據為理解植物-微生物互作中的資源（氧氣）競爭提供了直接證據，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）和形態適應（根毛分布改變）直接聯系起來，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。