芸薹属有哪些植物？芸苔属根际的多性状植物

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文 | 惊奇的探索

编辑 | 惊奇的探索

近年来，人们越来越意识到利用微生物改善植物对营养物质的利用对农业至关重要。一种被广泛使用的方法是利用根际细菌，这些细菌与植物根系进行互动，对植物的生长和产量有显著的促进作用。

这种植物和有益微生物之间的互动对植物的健康，和土壤的肥力起着决定性的作用。土壤微生物对无机和有机养分的循环、维持土壤健康和质量非常重要。在过去几十年中，人们已经报道了许多能够增强植物生长的细菌类型。

这些细菌通过多种机制在植物的不同生长阶段起作用，包括磷溶解、生物固氮、改善其他植物养分的吸收以及产生植物激素。吲哚-3-乙酸是一种对植物生长有深远影响的激素，细菌通过不同的途径合成它，其中色氨酸是必需的前体物质。

这些途径已经通过常规和分子遗传学方法验证。降解羽毛和角蛋白也是一项重要的环境实践。每年家禽加工厂会产生数百万吨的羽毛，这些羽毛主要由角蛋白组成，几乎全部由蛋白质构成。

所以如何处理这些废弃物成为一个严峻的问题，本地微生物群能够降解羽毛和角蛋白，这对环境的影响至关重要。利用微生物改善植物对营养物质的利用在可持续农业中扮演着重要角色。

通过与植物的互动，这些微生物能够促进植物生长并改善土壤质量，本地微生物群降解废弃物也是一项必要的环境实践。这些研究为农业和环境可持续性的发展提供了重要的参考。角蛋白是一种重要的动物蛋白质，存在于脊椎动物的皮肤、指甲、头发、羽毛等部位。

由于角蛋白不溶于水且不易降解，在固体废物管理中造成问题，并且对环境和健康带来威胁。人们对于利用和回收这些废弃物的关注并不多。一些微生物却能产生一种高效水解角蛋白的酶，被称为角蛋白酶。

这种酶可能在处理含有角蛋白废弃物的生物技术过程中发挥作用，比如家禽和皮革工业，多种细菌属具备角蛋白酶活性，例如杆菌属、热厌氧菌属、黄杆菌属和弧菌属。如果存在同时具备降解角蛋白，和促进植物生长特性的细菌，就有可能利用它们来水解羽毛和角蛋白。

同时促进植物生长，这样做不仅有助于清洁环境，还能提高作物产量，研究和利用具有降解角蛋白和促进植物生长特性的细菌，对于处理角蛋白废弃物并改善环境以及增加农作物产量具有潜在价值。

研究人员成功从芥菜田的根际土壤中分离出了PM2菌株。这个菌株是一种革兰氏阳性杆状菌，其菌落呈白色或灰色，表面光滑，边缘凸起。研究人员通过在琼脂和脱脂奶琼脂平板上观察到的清晰光晕区域来筛选这个菌株，这表明它具有溶磷和产生蛋白酶的活性。

研究人员进一步研究了PM2菌株的促生长特性，包括溶磷和生产IAA植物激素。研究人员在培养基中定量分析了溶磷的能力。结果显示，在培养4天后，菌株能够在培养液中溶解135-345 μg/ml的三钙磷，通过在600nm处测量KH2PO4曲线得出。

实验数据还显示，溶磷能力随时间增加而增强，与培养基的pH成反比关系。通过间歇性检测培养液的pH，研究人员观察到pH从7.0降低到4.40，这说明分离的PM2菌株通过产生酸性物质直接溶解了磷矿石。

研究人员的研究还发现，分离的PM2菌株具有产生植物激素IAA的能力。图1D清楚地显示菌株在LB培养基中产生了大量的IAA，研究人员的研究结果表明，PM2菌株具有溶磷和产生植物激素的特性，这可能有助于促进植物的生长和发育。

经过4天的延长孵育，无菌培养液中的细胞存活度稍有下降，但整体上保持稳定。通过测量培养基滤液的浓度，发现随着时间的推移，IAA的形成呈直线增加。在添加250µg/ml和500µg/ml色氨酸的情况下，分别得出IAA浓度为10.5µg/ml和21.0µg/ml。

在无色氨酸存在时，IAA浓度为7.04µg/ml。通过薄层色谱法验证了IAA的存在，并与标准IAA进行比对确认。在经过处理的种子中，观察到较高的种子萌发率和更长的根和茎。这表明PM2菌株处理对芥菜植株的生长具有积极的影响。

下图展示了对细菌菌株的分离和体外特性进行的表征。图中的A和B显示了在Pikovskaya琼脂和脱脂奶琼脂平板上出现的清晰光晕区域，这表明细菌菌株具有溶解磷酸盐和水解酪蛋白的能力。通过使用KH2PO4进行标定曲线，研究人员可以测量磷酸盐的溶解情况。

图中的C展示了在Pikovskaya培养基中，细菌分离物在不同时间点的pH变化。而D展示了在添加了250µg/mL和500µg/mL色氨酸的情况下，与不添加色氨酸的对照组相比，吲哚-3-乙酸的产量。

为了确认吲哚-3-乙酸的存在，使用试剂对其进行了薄层色谱分析，结果显示出几乎相同的斑点。这些实验结果揭示了细菌菌株的特性，包括它们对磷酸盐和酪蛋白的活性，以及在色氨酸存在下产生的吲哚-3-乙酸。

孤立的PM2菌株在孵化48小时内成功降解了52%的羽毛。在培养滤液中，可溶性蛋白质含量为1512μg/ml。研究人员通过离心后获取的培养上清液来测定角蛋白酶的活性。结果显示，在孵化48小时时，PM2菌株产生的角蛋白酶活性达到最高，为22.5 (U/ml)。

它随后会随着孵化时间的延长而逐渐下降，离心后的培养上清液还被用来检测蛋白酶的活性。在孵化48小时时，PM2菌株产生的蛋白酶活性达到最高，为8.9 (U/ml)。通过评估PM2菌株的角蛋白酶产生能力，研究人员证明它能有效降解羽毛，与对照组相比显示明显的差异。

利用扫描电镜观察，研究人员发现经过PM2菌株处理后的羽毛微观形态发生了改变，进一步证明了其降解羽毛的能力。PM2菌株具有较高的羽毛降解活性和角蛋白酶及蛋白酶的产生能力。

通过对粗酶进行特性分析，发现其最适pH值为7.0，活性在pH 5.0至pH 9.0的范围内保持超过80％。随着pH的升高或降低到低于pH 7.0，酶的活性逐渐下降，表明它是一种中性角蛋白酶。

通过对其pH稳定性的研究，发现在pH 6.0至9.0的广泛pH范围内，酶保持稳定。酶的最适温度为40℃，次优温度为30℃和50℃。酶在40℃下孵育2小时后仍保持稳定，并且活性没有下降，而在50℃下孵育2小时后，酶的活性仅为初始活性的90%。

在不同底物的溶液中评估酶的底物特异性时，发现酶对角蛋白具有高亲和力，其次是酪蛋白、BSA和明胶，这进一步支持了酶是一种角蛋白酶的结论，粗酶是一种中性角蛋白酶，最适pH为7.0，最适温度为40℃。它在广泛的pH范围内稳定，并对角蛋白具有高亲和力。

分离的PM2菌株进行了16S rRNA测序，并在印度安得拉邦海得拉巴的公司，使用不同的生物信息学工具进行了分析。通过BLAST搜索对分离物的部分序列数据进行了分析，结果显示存在明显的相似性。

进一步，利用MEGA4软件构建了邻接树，并在与密切相关菌株的16S rRNA序列进行序列比对后检查了系统发育数据。

PM2菌株的16S rRNA基因序列已被提交到GenBank数据库，存档号为KF673164，下图是利用MEGA4软件，通过邻接法构建的PM2菌株16S rDNA序列的系统发育树。

它所分离的PM2菌株是一种革兰氏阳性菌，具有杆状和凸起的菌落，表面光滑，边缘升高，颜色为白色或灰色。在筛选过程中，发现在脱脂牛奶琼脂平板上形成了清晰的晕区，显示了磷酸盐溶解和蛋白酶产生的活性。

生化测试显示，该菌株对更多的底物呈阳性反应，对少数底物呈阴性反应，这表明其具有独特的代谢潜力，根据形态和生化特征，可能属于Basillus属菌株。体外测定PGPR特性时，磷酸盐溶解的定量估计，显示了溶解时间与培养基pH之间的反相关关系。

这意味着该菌株通过产酸促进磷酸盐的溶解，释放岩石磷酸盐或与钙离子螯合形成可溶性的磷溶液，或者通过存在于土壤中的许多微生物中的磷酸酶酶活性，通过微生物活动转化为可溶性的有机磷化合物。

这种转化是由土壤中许多微生物完成的，大部分土壤微生物能够将不溶性的无机磷酸盐转化为植物可利用的形式。研究表明，有机酸和磷酸盐的形成在磷酸盐增溶中起重要作用。在存在色氨酸浓度的情况下，菌株PM2产生了增强的IAA。

这可能是因为色氨酸是IAA合成的前体，这一点已通过薄层色谱分析(TLC)进行了表征。这些数据表明，分离得到的PM2菌株可以作为有效的生物种植剂。种植实验进一步研究了这些IAA生产菌株PM2对植物生长参数的影响。

结果显示在种子萌发和盆栽实验中，相比于对照组，PM2菌株对根和芽的生长速率有积极影响。这表明，PM2菌株可以促进植物的生长和发育，因此被认为是有效的PGPR。这与之前的研究结果一致。

通过将菌株培养在含有角蛋白和酪蛋白的培养基上观察其生长情况可以测定角蛋白酶和蛋白酶的产生能力。在这项研究中，使用羽毛作为唯一的氮和碳源来模拟营养有限的条件，以评估菌株降解羽毛的能力。

菌株在含有羽毛的培养基中显示出显着的活性，表明菌株产生了针对羽毛的酶。研究还观察到，菌株在对数阶段产生的酶活性较高，并随后逐渐减少。这可能是由于酶自溶或酶产生的终产物抑制的结果。

观察结果还显示，在处理羽毛的情况下，菌株引起了羽毛表面的形态变化，呈现出皱纹结构和空腔等异质形态。相比之下，对照组中的羽毛保持光滑均匀的形态。这些结果表明，菌株的角蛋白酶和蛋白酶导致了羽毛表面的显著恶化。

在进一步研究中，发现菌株的角质酶对于最佳活性需要一定的条件。例如，菌株的角质酶在中性至碱性范围内的pH值最佳，最佳温度范围为30至80°C。此外，观察到菌株的角质酶在高温下仍然显示活性，但在更高温度下会失活。

通过分子表征和系统发育分析，确认了菌株的身份，并与已知的相似菌株进行了比对。使用生物信息学工具建立了系统发育树，进一步验证了菌株的分类，这项研究的结果表明从这个菌株中分离的角蛋白酶和蛋白酶具有温和的热稳定性和碱性特性。

具有潜力用于各种工业应用，需要进一步研究来了解，角蛋白酶和蛋白酶的最佳条件和应用前景，菌株PM2的进一步研究还评估了其从三磷酸腺苷中释放磷酸盐的能力，将100ml PM2的过夜培养物接种到250ml Pikovskaya肉汤中，并在32°C下孵育。

通过每隔24小时采样肉汤培养物来估计释放的Pi量。采样后，将培养物以高速离心将上清液与细胞和不溶性磷酸盐分离。然后，使用磷钼蓝法测定上清液中的有效磷含量。

具体方法是将50ml上清液与试剂混合，经过化学反应后，使用分光光度计在特定波长下测量颜色的强度。通过与已知浓度的磷酸盐标准曲线比较，计算得出PM2释放的Pi量。选取PM2菌株，将其接种到含有最小盐培养基和给定色氨酸浓度的烧瓶中。

在每24小时采样培养液来估计其中IAA的产量，采样后，使用离心将培养液离心，并将上清液与Salkowski's试剂混合。在30°C下孵育25分钟后，使用分光光度计测量溶液的吸光度，并通过与IAA标准曲线进行比较来测定和定量PM2中IAA的浓度。

对于通过薄层色谱进行的粗IAA提取，将PM2菌株的培养物提取后使用乙酸乙酯分离。然后，将提取物溶于甲醇中，并在-20°C保存。为了鉴定IAA的存在，将提取物样品应用到TLC板上，并使用适当的溶剂系统进行发展。

使用Salkowski's试剂检测在TLC板上出现与标准IAA相同的斑点。通过比较RF值确定相应化合物的存在。这些实验方法用于评估菌株PM2的Pi释放和IAA产生能力，并通过化学分析和薄层色谱方法进行测定和鉴定。

PGP根际分离株具有多样的促进植物生长的机制，其中之一是固氮作用，这些根际微生物能够将大气中的氮气转化为植物能够利用的氮化物。这对于植物的氮素供应非常重要，可以提高植物的生长速度和产量。

PGP根际分离株还可以产生植物生长激素，如激素赤霉素和生长素，这些激素能够促进植物的生长、发育和营养吸收。它们可以通过竞争资源、产生抗生素和激活植物的防御反应等方式，减轻植物受到逆境因素和病原微生物的伤害。

这对于提高植物的生长和抵抗力具有重要意义。PGP根际分离株的应用潜力巨大。可以作为植物生长促进剂的替代品，可以减少对化学肥料和农药的依赖，从而降低环境污染和人类健康风险。

与其他工业微生物相比，PGP根际分离株具有较高的适应性和生态兼容性，有利于推动可持续农业的发展。芸苔属根际的多性状植物生长促进根际分离株具有多种促进植物生长的机制和作用，包括固氮作用、产生植物生长激素、提高养分吸收效率、增强抗逆性和抗病能力等。

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