以3日龄的狗尾草(Setaria viridis A10.1)幼苗为材料，分别接种SmR1(fix +)和 SmR54(fix?) ，而对照(CTRL)植物未接种。 植株在温室条件下接种后生长2周。 根和叶被收获。 用荧光显微镜对接种 SmR1或 SmR54的植株根系进行了分析。
在过去的几十年里，随着氮肥使用量的增加，农作物产量大幅度增加。氮肥虽然有利于作物生长，但对环境和气候有负面影响，因为生产氮肥需要大量的能源。许多科学家正在寻找方法，开发更可持续的做法，在减少投入的情况下保持作物高产。
密苏里大学的植物病理学家Gary Stacey说:“为作物提供氮的一种更可持续的方法是使用生物固氮，这是豆科作物的成熟做法。”“在大多数植物的根际，有各种各样的固氮细菌。然而，这种促进植物生长的细菌(PGPB)在农业中作为接种剂的使用有限。”
Stacey认为，这种有限的使用是由于在作物生产中使用生物制剂的普遍问题和应用后的不同功效。他们进行了研究，以便更好地了解植物宿主的代谢反应，以减少作物对PGPB的反应的可变性。
“我们的研究面临的一个挑战是，虽然PGPB可以在根部高水平的繁殖，但繁殖的位置可能高度局限，” Stacey说。 “因此，分离整个根导致信号的大量稀释，因为绝大多数根细胞没有与细菌接触。”
为了克服这一挑战，Stacey和他的团队利用激光消融电喷雾质谱法(LAESI-MS)，允许他们只对那些被细菌感染的部位进行采样，他们可以通过绿色荧光蛋白的表达来定位这些部位。
他们的结果表明，细菌定居导致了植物代谢的重大转变，一些代谢物在接种过的植株中更为丰富，而其他代谢物，包括指示氮的代谢物，在未接种或接种无法固定氮的细菌菌株的根中减少。
“有趣的是，参与吲哚生物碱生物合成的化合物在被固定菌株定殖的根中更为丰富，这可能反映了植物的防御反应，” Stacey说。“最终，通过这些研究，我们希望能够确定 PGPB 刺激植物生长的分子机制，从而设计出有效和一致的接种方案，以改善作物生长。”
长期以来，Stacey 的实验室一直对生物固氮作用和植物与微生物之间的相互作用感兴趣。 自从发现生物固氮作用(BNF)以来，该实验室的目标就是将 BNF 的好处传递给非豆科作物，如玉米。PGPB在自然界中具有这种能力，但在实际的农业生产中还没有得到充分的利用。
“我们认为，与其他更好研究的相互作用(如根瘤菌-豆科植物)相比，这是由于普遍缺乏 PGPB 刺激植物生长的分子机制的信息。因此，我们在实验室项目中试图提供这些信息，因为我们相信这些信息将提高PGPB接种剂的效力，从而增加 PGPB接种剂在作物生产中的使用。”
Stacey和他的团队最惊讶地发现，他们没有看到植物激素的生产的重大影响，这种激素与 PGPB 促进植物生长的能力密切相关。这表明 PGPB 对植物新陈代谢的影响比我们之前认识到的更大，细菌如何影响植物生长可能更复杂。
文献来源:
Beverly J. Agtuca et al, In-Situ Metabolomic Analysis of Setaria viridis Roots Colonized by Beneficial Endophytic Bacteria, Molecular Plant-Microbe Interactions (2019).
https://apsjournals.apsnet.org/doi/10.1094/MPMI-06-19-0174-R
新闻报道来源：
https://phys.org/news/2020-03-reliance-nitrogen-fertilizers-biological-fixation.html
作者单位：American Phytopathological Society
译文校稿：LuLu
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