Haloalkaliphile Terhasil Tumbuhan Daripada Cistanche: Cerapan Genomik–Metabolomik Terkait A8 Untuk Tanah Salin–Alkali Dan Peningkatan Tanaman

Perbincangan

 

Keadaan semasa penyelidikan mengenai endofit yang boleh ditanam dari Cistanche

Penyelidikan tentang endofit yang boleh ditanam yang dikaitkan dengan Cistanche masih terhad. Lin et al. [10] mengasingkan Streptomyces endofit (terikan AC‑2) dan Penicillium chrysogenum daripada akar Cistanche, dengan yang terakhir menunjukkan aktiviti neuroprotektif yang ketara dalam sel SH‑SY5Y. Yu et al. [11] melaporkan bahawa kelimpahan dan kepelbagaian kulat endofit yang boleh ditanam di Cistanche berbeza mengikut musim, asal usul, dan bahagian tumbuhan ubatan. Petrosyan et al. [12] menunjukkan bahawa endofit benih daripada holoparasit Cistanche phelypaea boleh menggalakkan pertumbuhan tumbuhan dan memberikan ciri-ciri toleransi garam. Walau bagaimanapun, untuk pengetahuan kami, bakteria endofit toleran alkaliphile dan haloalkaliphile daripada Cistanche belum dilaporkan sebelum kerja ini.

 

Cistanche deserticola

 

 

 

Mentakrifkan haloalkalifil dan ketegangan kedudukan A8

Di seluruh literatur, "haloalkaliphiles" biasanya ditakrifkan sebagai mikrob dengan pertumbuhan optimum pada kepekatan garam Lebih besar daripada atau sama dengan 3% dan pH Lebih besar daripada atau sama dengan 9.0; kebanyakan strain bertolak ansur dengan pH 7–11 dan kemasinan 0–15% [13]. Terikan A8 tumbuh secara optimum pada 0–5% garam dan pH 9, menyokong penetapan awalnya sebagai bakteria haloalkalifilik/alkalitoleran. Hebatnya, A8 mengekalkan pertumbuhan pada pH 13, yang jarang berlaku walaupun di kalangan haloalkalifil. Walaupun mikrob tersebut biasanya diasingkan daripada persekitaran masin atau beralkali (cth, sedimen tasik masin, saltern, Laut Mati, sedimen bakau dan tanah rizosfera) [14], kajian kami melaporkan A8 sebagai hos Bacillaceae (pseudo-isosolated Bacillusalkali) yang pertama seperti alkalifil, tahan garam dan alkali. (Cistanche).

Asas mekanikal untuk toleransi garam-alkali dalam A8

Toleransi garam-alkali adalah kompleks secara mekanikal. Berbanding dengan bakteria tidak toleran, strain bertolak ansur dengan lebih kuat mengaktifkan antiporter Na+/H+ dan sistem pengangkutan ion yang berkaitan untuk mengawal tekanan osmotik intraselular, membolehkan pertumbuhan dalam keadaan salin-beralkali [15]. Analisis genom A8 mengenal pasti 10 kelas gen yang terlibat dalam toleransi garam-alkali, termasuk:

Pengangkut untuk bahan terlarut yang serasi (cth, pengangkut glisin betaine) dan gen sintesis trehalosa;

Antiporter berbilang (antiporter Na+/H+, antiporter asid amino asas);

 

Pengangkut kalium dan sintase ATP F0F1.

 

Kajian terdahulu menunjukkan bahawa glisin betaine dan trehalose tersebar luas dalam halofil sebagai zat terlarut yang serasi untuk pelarasan osmotik [15,16]. Sistem pengangkutan kalium dan antiport boleh mengasidkan sitoplasma untuk mengurangkan tekanan elektrofilik, dengan itu meningkatkan daya tahan alam sekitar [4]. Data kami menyokong bahawa A8 menyelaraskan berbilang modul genetik untuk mensintesis paras intraselular prolin, glisin, betaine, dan trehalosa yang lebih tinggi dan untuk mengangkut ion Na+, K+ dan H+, mengekalkan keseimbangan osmotik dan menyokong fungsi selular normal di bawah tekanan salin-alkali.

Biofilm, metabolisme sekunder, dan osmoadaptasi

Oleh kerana pengangkutan transmembran bergantung pada sifat membran, pembentukan biofilm berkait rapat dengan toleransi garam-alkali. Wang et al. [17] menunjukkan bahawa strain menghasilkan lebih banyak biofilm di bawah tekanan salin-alkali untuk mengurangkan kecederaan garam. Bukti transkriptomik dan metabolik menunjukkan bahawa biosintesis sesquiterpenes dan triterpenes dikaitkan dengan rintangan tekanan dalam tumbuhan [18,19]; laluan analog mungkin bersilang dengan program tekanan bakteria. Proline adalah bahan larut serasi utama yang disintesis oleh bakteria sebagai tindak balas kepada garam yang tinggi [20,21]. Dalam analisis pengayaan laluan kami bagi metabolit terkawal dan unik dalam A8 di bawah tekanan salin-alkali, kami mengenal pasti:

Laluan purin dan steroid yang boleh meningkatkan sintesis biofilm dan dengan itu toleransi garam-alkali;

Hubungan kukuh antara biosintesis sesquiterpene/triterpene dan daya tahan tekanan;

Metabolisme lisin yang berpotensi untuk melemahkan tekanan garam [22];

Laluan biosintesis Pantothenate dan CoA yang meningkatkan kapasiti bertenaga, memacu pengangkutan ion salin-alkali.

Secara kolektif, kami mencadangkan bahawa A8 menggunakan modulasi membran/biofilem strategi multifaktorial, pengumpulan zat terlarut yang serasi, dan homeostasis ion-untuk berkembang maju di bawah pH dan kemasinan yang melampau.

 

Pangkalan penanaman cistanche Wecistanche di yuto,xinjiang

Perkhidmatan Sokongan Wecistanche-Untuk butiran lanjut tentang kerjasama
E-mel:wallence.suen@wecistanche.com

 

 

Motivasi penyelidikan untuk Cistanche sebagai tanaman saintifik

 

Pembangunan tanaman yang didayakan mikrobiom: Sebagai tumbuhan ubatan holoparasit yang disesuaikan dengan habitat gersang dan selalunya masin, Cistanche mungkin menjadi tuan rumah endofit unik dengan ciri haloalkalifilik yang luar biasa. Mengasingkan dan mencirikan strain sedemikian secara fungsional (cth, A8) membuka ruang untuk pembiakan dibantu mikrobiom dan pembangunan inokulan untuk meningkatkan penanaman Cistanche di tanah marginal (salinan-alkali).

Pemulihan tanah dan bioinokulan: Profil toleransi A8 mencadangkan potensi sebagai terikan casis untuk pembaikan tanah salin–alkali. Percubaan lapangan boleh menguji inokulasi langsung ke dalam tanah salin-alkali, memantau indeks fiziko-kimia untuk mengukur kesan pemulihan.

Peningkatan prestasi tumbuhan: Menggunakan A8 melalui inokulasi rhizosfera, semburan daun atau kumbahan akar pada perumah Cistanche atau pada tanaman perawat boleh meningkatkan rintangan garam-alkali, kemandirian dan biojisim, secara langsung menyokong penanaman piawai dan kualiti bahan mentah.

Saluran paip pengesahan mekanistik: Mengintegrasikan genomik (kluster gen antiporter/larutan yang serasi), metabolomik (tandatangan UPLC–MS/MS solute dan membran-lipid), dan fenotaip (metrik biofilem, lengkung pertumbuhan pada pH 6–13 dan kemasinan 0–17%) untuk mewujudkan mod-tindakan industri yang teguh.

 

Kerja masa depan

Kajian masa depan akan menilai A8 dalam senario aplikasi: inokulasi tanah langsung dalam medan garam-alkali dengan ukuran sifat tanah membujur; dan campur tangan peringkat tumbuhan (inokulasi rhizosfera, penggunaan daun, basahan akar) dengan ujian toleransi garam-alkali tumbuhan. Data ini akan membolehkan penilaian penuh potensi promosi tumbuhan A8 dan menyokong pembangunan baja mikrob untuk penanaman Cistanche dan pertanian garam yang lebih luas.

 

Kesimpulan

 

Kami mengasingkan 50 strain bakteria endofit yang boleh ditanam daripada Cistanche. Antaranya, terikan A8 ialah, untuk pengetahuan kami, terikan Bacillaceae toleran garam-alkali (pseudo-alkalifilik Bacillus) pertama yang diasingkan daripada perumah tumbuhan. A8 tumbuh merentasi kemasinan 0–17% (optimum 0–5%) dan pH 6.0–13.0 (pH 9 optimum) dan secara aktif mengalihkan pH kultur ke arah optimum pertumbuhannya. Analisis metabolomik genomik dan UPLC-MS/MS bertumpu untuk menunjukkan bahawa A8 mengekalkan keseimbangan osmotik-dan dengan itu fungsi selular normal-dengan mensintesis tahap tinggi zat terlarut yang serasi (cth, betaine, proline, trehalosa) dan dengan mengangkut Na+, K+, dan H+ melalui pelbagai antiporter dan sistem pengangkutan. Cerapan ini menyediakan asas mekanistik untuk memanfaatkan A8 dalam pembaikan tanah salin-alkali, pembangunan baja mikrob dan peningkatan toleransi garam-alkali tumbuhan, menawarkan sumber strategik untuk penyelidikan tanaman Cistanche dan penanaman piawai.

 

Rujukan

[10] Lin Z, Wen J, Zhu T, et al. Chrysogenamide A daripada kulat endofit yang dikaitkan dengan Cistanche deserticola dan kesan neuroprotektifnya pada sel SH‑SY5Y. Jurnal Antibiotik. 2008;61(2):81–85.
[11] Yu J, Zhou F, Chen J, et al. Kepelbagaian kulat endofit di Cistanche. China Journal of Chinese Materia Medica. 2011;36(05):542–546. (dalam bahasa Cina)
[12] Petrosyan K, Thijs S, Piwowarczyk R, et al. Kepelbagaian dan keupayaan menggalakkan pertumbuhan tumbuhan berpotensi bakteria endofit benih holoparasit Cistanche phelypaea (Orobanchaceae). Laporan Saintifik. 2023;13(1):11835.
[13] Zhang S, Li Z, Yan Y, et al. Bacillus urumqiensis sp. nov., bakteria sederhana haloalkalifilik yang diasingkan daripada tasik garam. Jurnal Antarabangsa Mikrobiologi Sistematik dan Evolusi. 2016;66(6):2305–2312.
[14] Joshi A, Thite S, Karodi P, et al. Alkalihalobakterium elongatum gen. nov. sp. nov.: Bakteria penghasil antibiotik yang diasingkan daripada Tasik Lonar dan pengelasan semula genus Alkalihalobacillus kepada tujuh genera novel. Sempadan dalam Mikrobiologi. 2021;12:722369.
[15] Qin Y, Druzhinina IS, Pan X, et al. Toleransi garam tumbuhan pengantara mikrob dan penyelesaian berasaskan mikrobiom untuk pertanian masin. Kemajuan Bioteknologi. 2016;34(7):1245–1259.
[16] Liu W, Wang Q, Hou J, et al. Analisis genom keseluruhan bagi tumbuhan bertoleransi halotoleran dan beralkali-menggalakkan rhizobacterium Klebsiella sp. D5A. Laporan Saintifik. 2016;6:26710.
[17] Wang C, Pei J, Li H, et al. Mekanisme toleransi garam dalam Paenibacillus polymyxa SC2 dan kesan menggalakkan pertumbuhannya pada anak benih jagung di bawah keadaan masin. Penyelidikan Mikrobiologi. 2024;282:127639.
[18] Zhang C, Zhang C, Xu X, Liao M, et al. Analisis transkrip memberikan pandangan tentang mekanisme pengawalseliaan yang mendasari pemulihan percambahan debunga pada suhu tinggi biasa dalam pisang liar (Musa itinerans). Sempadan dalam Sains Tumbuhan. 2023;14:1255418.
[19] Kong L, Chen P, Chang C. Rintangan kemarau dan biosintesis ginsenoside sebagai tindak balas kepada asid absisik dalam Panax ginseng CA Meyer. Jurnal Antarabangsa Sains Molekul. 2023;24(11):9194.
[20] Xing Q, Zhang S, Tao X, et al. Polyextremophile Natranaerobius thermophilus mengguna pakai strategi dwi untuk tegasan kemasinan jangka panjang, secara serentak mengumpul bahan larut yang serasi dan K+. Mikrobiologi Gunaan dan Alam Sekitar. 2024;90(5):e0014524.
[21] Sunita K, Mishra I, Mishra J, et al. Metabolit sekunder daripada rhizobakteria penggalak pertumbuhan tumbuhan halotoleran untuk memperbaiki tekanan kemasinan dalam tumbuhan. Sempadan dalam Mikrobiologi. 2020;11:567768.
[22] Arruda P, Barreto P. Lysine katabolisme melalui laluan sakaropin: Enzim dan perantaraan yang terlibat dalam tindak balas tumbuhan kepada tegasan abiotik dan biotik. Sempadan dalam Sains Tumbuhan. 2020;11:587.