可溶性磷调节解无机磷细菌类芽孢杆菌Paenibacillus sp. MP-J5葡萄糖代谢途径转换的分子机制及对该菌株杨树接种效应影响研究

Mineral phosphate-solubilizing bacteria (PSB) can release soluble phosphate from insoluble mineral phosphate. Application of PSB could be a novel solution to soil phosphate-deficiency. However, the phosphate solubilization of PSB is feedback inhibited by soluble phosphate, and the effects of soluble phosphate on physiological activities of PSB in soil still lack of systematic evaluation. Previous research demonstrated that soluble phosphate can regulate phosphate solubilization by PSB through regulating organic acids secretion, which is based on the regulation of glucose metabolism of PSB, yet the molecular mechanism is still unclear. Aim to evaluate the effects of soluble phosphate on phosphate solublization, inoculation efficacy of PSB in soil, the phosphate solubilization, colonization (inner tissue and rhizosphaere) and plant growth promotion of PSB strain Paenibacillus sp. MP-J5 be measured in soil with different soluble phosphate treatments. In order to reveal the deep mechanism of soluble phosphate effects on phosphate solubilization, the global gene expressions of the strain MP-J5 under phosphate-deficiency and phosphate-sufficiency on transcriptional level will be assess by using RNA-seq technique. Meanwhile, the molecular mechanism of the shift of glucose catabolism pathways by soluble phosphate will be revealed by the global transcriptome analysis. This work would provide valuable scientific guidance for further practical and commercial application of the strain MP-J5 and lay the foundation for molecular engineering strategy to reduce the sensitivity of PSB strain to soluble phosphate.

解无机磷细菌能够溶解土壤中的难溶性矿质磷酸盐，是解决土壤缺磷问题的新型途径之一。然而，解无机磷细菌的解磷能力受到可溶性磷的反馈抑制，其在土壤中的生理活性也受到可溶性磷的影响。前期研究发现，可溶性磷通过调控解无机磷细菌的葡萄糖代谢调节其有机酸分泌，进而影响其解磷能力，但该分子机制尚不明确。为了系统评估土壤环境中可溶性磷对解无机磷细菌解磷及植物接种效应的影响，阐明可溶性磷调控解无机磷细菌解磷的深层次机理，本项目拟对杨树根际解无机磷细菌类芽孢杆菌Paenibacillus sp. MP-J5在不同可溶性磷水平土壤中的解磷能力、杨树根际/根内定殖及促生作用进行测定；同时，利用RNA-seq技术对可溶性磷不足/充足条件下MP-J5菌株的转录组进行测序分析，解析可溶性磷调节其葡萄糖代谢途径转换的分子机制。本研究将为MP-J5菌株的田间应用提供指导，也为利用遗传育种技术对该菌株的Pi敏感性改造奠定基础。

为了弄清Pi对解磷微生物影响的分子机理，以及土壤Pi对解磷微生物解磷和植物促生的影响，本研究测定了解无机磷细菌在不同外源Pi水平下的解磷、有机酸分泌情况，研究了其对植物的接种促生效应，并对0、5和25 mmol/L外源Pi水平下的菌株转录组进行了测序分析。类芽孢杆菌MP-J5在0 mmol/L外源Pi时具有最大解磷量，10 mmol/L时不解磷。随外源Pi浓度的增加，其葡萄糖酸、甲酸和丙酮酸分泌量显著下降。MP-J5仅在接种前期能促进杨树苗的生长，后期随着其在根际、根内定殖数量的下降，促生不显著，在低Pi和高Pi环境下该菌株对杨树的促生效果均不显著。MP-J5菌株能够定殖于油菜根际和组织内，接种前期能够有效促进油菜苗的生长和提高土壤有效磷含量。在三种Pi水平营养液条件下，接种解无机磷细菌处理油菜苗苗高均显著高于对照。随着Pi水平的上升，对照油菜苗苗高显著增加，而接种处理间苗高无显著差异。不同Pi水平下油菜苗根际和根内微生物定殖无显著差异。接种处理能够有效缓解土壤Pi水平不足对植物生长的影响，土壤Pi水平的变化并不影响解磷细菌的定殖，解磷细菌能够有效增加土壤中的有效磷含量。0和5 mmol/L外源Pi水平下解无机磷细菌转录组相关性较高，与25 mmol/L下转录组差别较大。与前两者相比，后者丙酮酸代谢相关基因出现了下调表达，如α-酮戊二酸脱氢酶，乙酰辅酶A羧化酶等，与葡萄糖转运相关的ABC转运蛋白基因出现了上调表达。高Pi浓度可能会抑制葡萄糖代谢进入三羧酸循环，造成有机酸分泌的变化，从而影响解磷细菌解磷。本研究进一步探究了外源Pi对解磷细菌解磷影响的分子机制，同时揭示了Pi对解磷细菌植物接种效应的影响，将为进一步开展解磷细菌基因改造奠定基础，同时也为解磷细菌在植物促生领域的研究和应用提供参考。

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