多组学分析揭示芽孢杆菌TB4促进水稻OsNramp5突变株锰吸收的分子机制

20251030

农、林、牧、渔业

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北京市自然科学基金本科生“启研”计划

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

水稻 OsNramp5 基因突变是限制水稻镉吸收的有效策略，OsNramp5 突变株对锰的吸收也会降低。缺锰会导致植株长势变弱、产量和米质变差。而在低锰土壤中接种溶锰细菌，可以促进土壤中锰矿物的增溶，促进植物生长和锰吸收，对于保障水稻安全高产具有重要意义。 研究以水稻OsNramp5突变株和溶锰芽孢杆菌RBB2为材料，在添加50 mM MnO2的水培条件下开展实验。通过转录组学、蛋白质组学、代谢组学联合分析，结合RT-qPCR验证，探究RBB2促进水稻锰吸收的潜在机制，同时完成了菌剂处理、组学数据分析、关键基因验证等预定实验内容。 研究方法上，对施加RBB2菌株和对照组未施加菌株的水稻幼苗进行多组学分析。转录组学分析包含数据质控、样本关系分析、基因筛选及富集分析等；蛋白质组学分析涉及数据质控与鉴定、亚细胞定位、功能注释及差异蛋白分析；代谢组学分析涵盖代谢物鉴定、样本相关性分析及组间差异分析，最后通过RT-qPCR验证转录组关键基因表达差异。 研究结果发现，RBB2使水稻地上部分锰含量达对照组2.25倍；转录组学筛选出241个差异基因，富集于光合作用等通路；蛋白质组学鉴定7233种蛋白，175个上调、81个下调，阳离子转运蛋白相关结构域差异显著；代谢组学鉴定1694种代谢物，BT与CK组有139种差异代谢物；RT-qPCR验证显示金属螯合相关基因如HIPP 蛋白基因，转运相关基因如OsNRAMP3蛋白基因、有机酸分泌及光合作用锰依赖蛋白相关基因显著上调。 综合研究结果推测，RBB2通过多机制协同促进水稻锰吸收：促进有机酸合成分泌，提高根际锰有效性；激活金属螯合系统，增强锰离子结合；上调金属转运蛋白基因，构建高效吸收转运网络；改善锰营养，激活光合相关基因。该研究丰富了植物-微生物互作理论，为微生物菌肥开发提供新思路，助力镉污染农田治理与农业可持续发展。