Rare fungus, Mortierella capitata, promotes crop growth by stimulating primary metabolisms related genes and reshaping rhizosphere bacterial community

Resumo

Os microrganismos da rizosfera e da endosfera são reconhecidos como um genoma estendido da planta. As alterações na estrutura da comunidade microbiana da rizosfera e da endosfera estão intimamente ligadas à absorção de nutrientes, ao desenvolvimento e à imunidade das plantas. Mortierella é um fungo oleaginoso saprófita, com vários benefícios agrícolas, que despertaram interesse nos últimos anos. Aqui, realizamos experimentos de inoculação de Mortierella capitata em uma câmara climática. A inoculação de M. capitata aumentou a biomassa, a clorofila e o teor de ácido giberélico no milho. A concentração de fósforo disponível no solo também aumentou, enquanto a concentração de O2 e a densidade do solo diminuíram. Além disso, a estrutura microbiana procariótica e eucariótica foi avaliada pelo sequenciamento MiSeq. Os inoculantes de M. capitata aumentaram a diversidade bacteriana da rizosfera e alteraram significativamente a composição da comunidade bacteriana da rizosfera. No entanto, a influência da M. capitata na estrutura da comunidade fúngica não foi significativa de acordo com a análise de similaridades ANOSIM. O sequenciamento do RNA (RNA-Seq) foi usado para determinar genes diferencialmente expressos (DEGs) em raízes de milho após a inoculação de M. capitata. Os genes que codificam a quitinase, a peroxidase, a proteína de transferência de lipídios, o transportador de açúcares exportados e várias proteínas de fator de transcrição foram significativamente aumentados. Todos os DEGs, propriedades básicas do solo e da planta foram usados para construir uma rede de co-ocorrência para análise de modularidade. A rede inteira foi dividida em cinco módulos com base no algoritmo de Louvain, incluindo metabolismo de substâncias orgânicas e regulação hormonal, metabolismo de nucleobases, resposta a estímulos, metabolismo primário e um módulo desconhecido. O módulo de resposta a estímulos apresentou a correlação mais próxima com biomassa, oxigênio do solo e M. capitata, enquanto os genes no módulo de metabolismo primário estavam intimamente associados ao ácido giberélico da planta e ao fósforo disponível no solo. Nossos resultados destacam que o fungo raro M. capitata pode promover o crescimento da cultura diretamente, alterando os níveis de expressão gênica da raiz, e indiretamente, por meio da interação com bactérias indígenas da rizosfera.

Abstract

Rhizosphere and endosphere microorganisms are recognized as an extended plant genome. Changes in rhizosphere and endosphere microbial community structure are closely linked to plant nutrition uptake, development and immunity. Mortierella is a saprophytic oleaginous fungus, with various agricultural benefits, which have triggered interest in recent years. Here, we conducted Mortierella capitata inoculation experiments in a climate chamber. M. capitata inoculation increased biomass, chlorophyll and gibberellic acid content in maize. The concentration of available soil phosphorus was also increased, while O₂ concentration and soil density decreased. Further, the prokaryotic and eukaryotic microbial structure was evaluated by MiSeq sequencing. M. capitata inoculants increased rhizosphere bacterial diversity and significantly altered rhizosphere bacterial community composition. Yet, the influence of M. capitata on fungal community structure was not significant according to ANOSIM analysis. RNA-seq was used to ascertain differentially expressed genes (DEGs) in maize roots following M. capitata inoculation. Genes encoding chitinase, peroxidase, lipid transfer protein, sugars exported transporter, and various transcription factor proteins were significantly up-regulated. All the DEGs, soil and plant basic properties were used to construct a co-occurrence network for modularity analysis. The whole network was divided into five modules based on Louvain algorithm, including organic substances metabolism and hormone regulation, nucleobases metabolism, stimulus response, primary metabolism and an unknown module. The stimulus response module showed the closest correlation with biomass, soil oxygen, and M. capitata, while genes in the primary metabolism module were closely associated with plant gibberellic acid and available soil phosphorus. Our results highlight that the rare fungus M. capitata can promote crop growth directly by altering the root gene expression levels, and indirectly via interaction with indigenous rhizosphere bacteria.