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 分類: 轉(zhuǎn)錄組測(cè)序

中文名:闡明種子傳播的E.gansuensis內(nèi)生真菌增加醉馬草對(duì)NaCl脅迫的耐受性分子機(jī)制

英文名:Elucidating the Molecular Mechanisms by which Seed-Borne Endophytic Fungi, Epichlo? gansuensis, Increases the Tolerance of Achnatherum inebrians to NaCl Stress

雜志:IntJMolSci

影響因子:4.556

研究背景

A.inebrians與種子傳播的內(nèi)生真菌Epichlo?gansuensis形成共生關(guān)系,這是其對(duì)生物和非生物脅迫的適應(yīng)性和生產(chǎn)力的重要因素。這種共生為A.inebrians提供了幾個(gè)優(yōu)勢(shì),包括抗鹽和抗旱性,提高水和氮的利用效率并增加生物量。此外,它還提高了氮代謝的酶活性,耐鎘,清除活性氧和抗病蟲(chóng)害的能力。植物與Epichlo?內(nèi)生菌的共生可能調(diào)節(jié)生長(zhǎng)之間的權(quán)衡和寄主草對(duì)非生物脅迫的抗性。這可能是兩者相互作用的結(jié)果,Epichlo?增強(qiáng)寄主草對(duì)非生物脅迫的耐受性并促進(jìn)植物生長(zhǎng)。與非共生植物相比,共生植物通常表現(xiàn)出更多的分蘗和生物量。Epichlo?gansuensis與Achnatheruminebrians形成穩(wěn)定的關(guān)聯(lián),是研究本地草和真菌內(nèi)生菌相互作用的理想宿主。

研究目的

高通量測(cè)序是一種有效的方法用轉(zhuǎn)錄本來(lái)探索原生草對(duì)非生物脅迫的反應(yīng),即使沒(méi)有參考基因組序列。以前的研究表明,許多差異表達(dá)寄主草的基因受Epichlo?內(nèi)生菌的影響。在目前的研究中,我們探索了A.inebrians的全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄本信息,評(píng)估了其作用在200mMNaCl脅迫下E.gansuensis感染對(duì)A.inebrians生長(zhǎng)的影響并通過(guò)Illumina測(cè)序在A.inebrians的葉子中確定參與轉(zhuǎn)錄本對(duì)醉馬草產(chǎn)生反應(yīng)的基因。研究旨在探索內(nèi)生真菌E.gansuensis感染后NaCl脅迫下宿主草的轉(zhuǎn)錄組,并提供E.gansuensis增加NaCl的寄主草耐受性的分子機(jī)制見(jiàn)解。

材料方法

12Epichlo?gansuensi感染(E+植物)和未感染的種子(E-植物)A.inebrians播種在16個(gè)盆中,種子發(fā)芽一周后,每個(gè)花盆每周澆150mL1/2Hoagland,同時(shí)每個(gè)花盆每周澆200毫升蒸餾水。6周后,4個(gè)E+苗盆和4個(gè)E-苗盆用150mL的1/2Hoagland和0mMNaCl澆灌,4個(gè)E+幼苗花盆和4個(gè)E-苗盆用150mL的1/2Hoagland與200毫升氯化鈉處理4周;同時(shí)對(duì)4個(gè)E+苗盆和4個(gè)E-苗盆每周200mL蒸餾水處理,4個(gè)E+苗盆和4個(gè)E-苗盆每周用200mL蒸餾水和200mMNaCl。4周后取0mM和200mMNaCl濃度下的E-植物(葉和根混合)的總RNA根據(jù)制造商的方案,通過(guò)植物RNA提取試劑盒并用DNaseI消化以去除基因組DNA,用PacBio測(cè)序全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄組。此外,共有12個(gè)RNA樣本來(lái)自在0mMNaCl和提取200mMNaCl以通過(guò)Illumina測(cè)序。提取的RNA檢測(cè)和定量使用安捷倫生物分析儀2100和Nanodrop2000。

研究結(jié)果

1、基于SMRT的RNA測(cè)序

采用PacBio測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行單分子實(shí)時(shí)(SMRT)測(cè)序,獲得芨芨草全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄組信息。從單個(gè)E-植物中收集葉子和根,徹底混合并用于mRNA提取。構(gòu)建了全長(zhǎng)cDNA文庫(kù),隨后用SMRT測(cè)序(補(bǔ)充圖S1A)。我們獲得了940,319個(gè)ROI(總堿基:1,789,709,871),其中包括6.41%的全長(zhǎng)嵌合序列和78.55%全長(zhǎng)非嵌合序列(補(bǔ)充圖S1B和表S1)。此外,738,588個(gè)全長(zhǎng)非嵌合序列、60,317個(gè)全長(zhǎng)嵌合序列和68,878個(gè)轉(zhuǎn)錄本,轉(zhuǎn)錄本的平均讀取長(zhǎng)度為1832bp。

2、ORF和SSR的預(yù)測(cè)

E?A.inebrians總共預(yù)測(cè)了34,764個(gè)開(kāi)放閱讀框(ORF)和27,202個(gè)完整的ORF。長(zhǎng)度分布表明長(zhǎng)度為800~1200的ORF為5,926個(gè)(補(bǔ)充圖S2)。在大多數(shù)生物體中,簡(jiǎn)單序列重復(fù)(SSR)是一個(gè)重要的分子標(biāo)記,我們的結(jié)果表明E?A.inebrians檢測(cè)到15,945個(gè)的SSR,其中大多數(shù)具有單核苷酸重復(fù)、二核苷酸重復(fù)、三核苷酸重復(fù)和四核苷酸重復(fù)(補(bǔ)充表S2)。由于SMRT測(cè)序序列的高組裝質(zhì)量,SSR的信息可用于E?A.inebrians未來(lái)的遺傳分析和標(biāo)記輔助育種。

3、轉(zhuǎn)錄本的功能注釋和轉(zhuǎn)錄因子的分類

總體而言,94.16%的A.inebrians轉(zhuǎn)錄本在選定的數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行了注釋,并且單個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的成功率在41.54%到93.83%之間。GO,KEGG,COG,KOG、Pfam、Swiss-Prot、eggNOG和NR注釋率分別為82.05%、41.54%、42.07%、57.65%、79.78%、68.45%、92.44%和93.83%(補(bǔ)充表S3)。這些結(jié)果表明,大多數(shù)基因是真正轉(zhuǎn)錄的序列,而且很可能A.inebrians中的功能基因。此外,我們獲得了63個(gè)轉(zhuǎn)錄基因家族因子(TF)并確定了1536個(gè)A.inebrians的推定TF成員(補(bǔ)充表S4)。此外,MYB相關(guān)TF、bHLHTF、NACTF和bZIPTF占大比例(補(bǔ)充圖S3)。

4、E.Gansuensis在各種NaCl濃度下改變了A.Inebrians的轉(zhuǎn)錄本

進(jìn)一步闡明E.gansuensis在NaCl脅迫下對(duì)寄主植物生長(zhǎng)的分子機(jī)制,E+和E-A.inebrians葉片(28天齡)的轉(zhuǎn)錄組通過(guò)Illumina測(cè)序進(jìn)行分析。E+A.inebrians和E-A.inebrians用含0mMNaCl和200mMNaCl濃度處理。閾值FDR≤0.01和FC≥2用于確定DEG(差異表達(dá)基因)。結(jié)果顯示響應(yīng)E.gansuensis的轉(zhuǎn)錄本發(fā)生顯著變化,在0mMNaCl和200mMNaCl濃度下的分別發(fā)生2464和1817DEGs(圖1)。此外,在NaCl脅迫下,轉(zhuǎn)錄本發(fā)生了顯著變化,E+葉子的4919個(gè)DEG。然而,一個(gè)小的轉(zhuǎn)錄組變化發(fā)生在對(duì)NaCl脅迫的響應(yīng),E-葉為502DEG(圖1)。

5、E.Gansuensis調(diào)節(jié)A.Inebrians的不同生物過(guò)程以維持生長(zhǎng)與抗NaCl脅迫之間的平衡

E.gansuensis上調(diào)1269個(gè)基因,下調(diào)1195個(gè)0LE+基因(葉E+植物在0mMNaCl下)與0LE-(E-植物在0mMNaCl下的葉子)相比。類似地,E.gansuensis誘導(dǎo)844個(gè)基因并抑制200LE+(E+植物的葉子)的973個(gè)基因在200mMNaCl下)與200LE-(E-植物的葉子在200mMNaCl下)相比(圖1)。目前的結(jié)果表明在NaCl脅迫下E.gansuensis對(duì)基因的調(diào)控有巨大的影響與200mMNaCl相比。對(duì)0LE+和0LE-之間的DEGs進(jìn)行GO富集分析發(fā)現(xiàn),E.gansuensis主要誘導(dǎo)“鈉離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)”、“胚胎后發(fā)育的正調(diào)控”、“蛋白質(zhì)磷酸化”、“光系統(tǒng)化學(xué)計(jì)量調(diào)整”和“谷氨酸代謝過(guò)程”(圖2A)。此外,GO富集分析表明,類別“類黃酮葡萄糖醛酸化”、“類黃酮生物合成過(guò)程”、“氧化-還原”過(guò)程”和“陰離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)”在下調(diào)中富集E.gansuensis在0mMNaCl濃度下的DEGs(圖2B)。這些結(jié)果暗示E.gansuensis重新編排了植物生理學(xué)和重要生物學(xué)的許多方面提高寄主植物的競(jìng)爭(zhēng)力。GO富集分析在200LE+和200LE?之間的DEGs表明,E.gansuensis主要誘導(dǎo)“蛋白質(zhì)磷酸化”、“氧化還原過(guò)程”、“油菜素類固醇生物合成過(guò)程”、“細(xì)胞鈣離子穩(wěn)態(tài)”和“L-谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)”(圖2C);此外,GO富集分析發(fā)現(xiàn)“蛋白質(zhì)磷酸化”的類別,“果糖6-磷酸代謝過(guò)程”、“類黃酮生物合成過(guò)程”和“MAPK”在200mMNaCl濃度下,E.gansuensis在下調(diào)的DEG中富集級(jí)聯(lián)”(圖2D)。我們的研究結(jié)果表明,E.gansuensis通過(guò)激活細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)促進(jìn)宿主在脅迫環(huán)境下的生長(zhǎng),維持平衡。促進(jìn)ROS、Ca2+信號(hào)和油菜素類固醇(BR)的生物合成,它們?cè)诳箟哼^(guò)程中起作用。

6、E.Gansuensis在A.Inebrians兩種氯化鈉濃度中轉(zhuǎn)錄本重排中起的獨(dú)特作用

Venn結(jié)果顯示E.gansuensis僅上調(diào)1135DEG在0mMNaCl濃度下的LE+和LE-之間,E.gansuensis在200mMNaCl脅迫下僅上調(diào)LE+和LE-之間的710DEG;此外,134DEG的LE+與LE-在E.gansuensis在0mMNaCl和200mMNaCl(補(bǔ)充圖S4A)。同樣,E.gansuensis在0mMNaCl和E.gansuensis僅下調(diào)LE+和LE-之間的928DEG僅在A.inebrians中下調(diào)LE+和LE-之間的706DEG作為響應(yīng)至200mMNaCl(補(bǔ)充圖S4B)。分析結(jié)果表明這些特殊的上調(diào)或下調(diào)的LE+與LE-的DEG的GO富集0mMNaCl和200mMNaCl分別顯示磷酸化信號(hào),次生代謝物的合成和轉(zhuǎn)運(yùn),以及離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)A.inebrians主要富集于E.gansuensis獨(dú)特的上調(diào)DEGs在0mMNaCl濃度下(圖4A)。GO富集分析結(jié)果表明A.inebrians的“蛋白質(zhì)磷酸化”、“類黃酮葡萄糖醛酸化”、“氨基酸跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)”、“果糖6-磷酸代謝過(guò)程”、“類黃酮生物合成過(guò)程”和“磷酸化信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)”主要在200mM甘肅E.gansuensis獨(dú)特的上調(diào)DEG中富集NaCl濃度(圖4C)。細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路(“蛋白磷酸化”和“細(xì)胞表面受體信號(hào)通路”)、“類黃酮生物合成A.inebrians的“過(guò)程”、“細(xì)胞表面受體信號(hào)通路”、“葡萄糖輸入”、“陰離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)”和“細(xì)胞分裂”主要富集于E.gansuensis在0mMNaCl和200mMNaCl濃度下共享上調(diào)的DEG(圖4B)。E.gansuensis主要僅抑制“黃酮類葡萄糖醛酸化”、“葡萄糖輸入”、“長(zhǎng)鏈脂肪酸代謝過(guò)程”、“黃酮類生物合成過(guò)程”、“陰離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)”和“氧化還原過(guò)程”的A.inebrians,主要在獨(dú)特的下調(diào)DEG中富集由E.gansuensis在0mMNaCl濃度下(圖4D)。“蛋白質(zhì)磷酸化”、“果糖6-磷酸代謝過(guò)程”、“黃酮類葡萄糖醛酸化”、“通過(guò)果糖-6-磷酸進(jìn)行糖酵解過(guò)程”,“類黃酮生物合成過(guò)程”,“調(diào)節(jié)蛋白磷酸酶2A型活性”,“鉀離子跨膜”A.inebrians的運(yùn)輸”和“MAPK級(jí)聯(lián)”主要富集于獨(dú)特的甘肅大腸桿菌在200mMNaCl濃度下下調(diào)DEG(圖4F)。細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)(“蛋白質(zhì)磷酸化”和“細(xì)胞表面受體信號(hào)通路”)、次生代謝產(chǎn)物(“類黃酮”生物合成過(guò)程”、“絲氨酸家族氨基酸生物合成過(guò)程”和“細(xì)胞氨基酸代謝過(guò)程”)和“過(guò)氧化氫分解代謝過(guò)程”A.inebrians主要在0mMNaCl和200mMNaCl的E.gansuensis共享的下調(diào)DEG中富集(圖4E)。

7、NaCl脅迫對(duì)A.InebriansE+和E—植物中轉(zhuǎn)錄本重排的獨(dú)特影響

NaCl脅迫僅上調(diào)LE+和LE+之間的2015DEG,且僅NaCl脅迫在LE-和LE-之間上調(diào)139DEG(補(bǔ)充圖S4C)。氯化鈉脅迫僅在LE+和LE+之間下調(diào)4707DEG,NaCl脅迫僅下調(diào)LE-和LE-之間的290DEG(補(bǔ)充圖S4D)。分析結(jié)果這些特殊上調(diào)的DEG在0mMNaCl與200mMNaCl下的GO富集度LE+和LE-分別表明NaCl脅迫主要調(diào)節(jié)氧化還原過(guò)程、次生代謝物的生物合成、小分子轉(zhuǎn)運(yùn)和細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),主要富集在LE+和LE-中獨(dú)特的上調(diào)DEGs(圖5A,C)。例如“氨基酸跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)”、“類黃酮生物合成過(guò)程”、“鉀離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)”、“葡萄糖輸入”、“L-α-氨基酸跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)”、“陰離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)”、“信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)”A.inebrians的磷酸化”、“MAPK級(jí)聯(lián)”、“氧化還原過(guò)程”和“過(guò)氧化氫分解代謝過(guò)程”主要富集于獨(dú)特的上調(diào)氯化鈉脅迫下LE-中的DEGs(圖5C)。次生物質(zhì)的代謝和運(yùn)輸代謝物(“一元10羧酸代謝過(guò)程”、“蛋白質(zhì)分解代謝過(guò)程”和“脂質(zhì)代謝過(guò)程”),ROS信號(hào)(“過(guò)氧化氫分解代謝過(guò)程”和“細(xì)胞對(duì)過(guò)氧化氫的反應(yīng)”)和A.inbrians的“蛋白質(zhì)磷酸化”主要富集分別在LE+和LE-之間的NaCl脅迫下共享上調(diào)的DEG(圖5B)。類似地,“蛋白質(zhì)磷酸化”、“類黃酮葡萄糖醛酸化”、“類黃酮生物合成過(guò)程”、“氨基酸跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)”、“鉀離子跨膜”轉(zhuǎn)運(yùn)”、“鈣離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)”和“谷氨酸代謝過(guò)程”A.inebrians主要富集在NaCl下LE+中獨(dú)特的下調(diào)DEGs壓力(圖5D)。次生代謝物的合成和轉(zhuǎn)運(yùn)(“黃酮類葡萄糖醛酸化”、“氨基酸跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)”、“類黃酮生物合成過(guò)程”和“長(zhǎng)鏈脂肪酸代謝過(guò)程”)、“鉀離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)”、“氧化-還原過(guò)程”和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑(“磷酸化信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)”A.inebrians的“MAPKcascade”)主要富集于獨(dú)特的下調(diào)氯化鈉脅迫下LE-中的DEGs(圖5F)。次生物質(zhì)的代謝和運(yùn)輸代謝物(“氨基酸跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)”、“脂質(zhì)代謝過(guò)程”、“氨基酸進(jìn)口”、“糖酵解過(guò)程”和“一元羧酸代謝過(guò)程”)、“陰離子跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)”、“氧化還原過(guò)程”和“陰離子穩(wěn)態(tài)”。主要富集于LE+和NaCl脅迫下共享的下調(diào)DEGsLE-(圖5E)

8、E.gansuensis在NaCl脅迫下對(duì)A.Inebrians轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)模式的影響

E.gansuensis在0mMNaCl下調(diào)節(jié)A.inebrians的16個(gè)轉(zhuǎn)錄因子(TFs)濃度,有10個(gè)上調(diào)的TF和10個(gè)下調(diào)的TF;上調(diào)的TF包括MYB相關(guān)、bHLH、CAMTA、B3-ARF、C2H2、GARP-G2樣、MADS-M型和1個(gè)TrihelixTF(補(bǔ)充圖S5A),其中MYB相關(guān)的TF最多與0mMNaCl的其他TF相比,對(duì)內(nèi)生真菌敏感。下調(diào)的TF包括GRAS、CPP、HSF、AP2/ERF-ERF、C2C2-LSD、NAC、C3H、bHLH、bZIP和MYB相關(guān)的TF(補(bǔ)充圖S5A)。E.gansuensis影響了A.inebrians的14個(gè)TFs200mMNaCl濃度,有5個(gè)1112上調(diào)的TF和12個(gè)下調(diào)的TF;這上調(diào)的TF,包括HB-HD-ZIP、MYB、NAC、AP2/ERF-ERF、bHLH、bZIP、C2H2、C3H、GARP-G2-like、GRAS、HSF、WRKYTFs和NACTFs受到顯著影響通過(guò)200mMNaCl脅迫下的內(nèi)生菌(補(bǔ)充圖S5B);下調(diào)TF包括3個(gè)B3-ARF、1個(gè)HB-BELL、1個(gè)HB-HD-ZIP、2個(gè)MYB和1個(gè)NACTF(補(bǔ)充圖S5B)。此外,NaCl脅迫調(diào)節(jié)了LE+中A.inebrians的30個(gè)TF,具有23個(gè)上調(diào)的TF和17個(gè)下調(diào)的TF;上調(diào)的TF包括AP2/ERFAP2、C2C2-CO-like、C2C2-Dof、C2C2-LSD、CPP、FAR1、GARP-G2-like、GRAS、HB-BELL、NF-YC、RWP-RK、WRKY、zf-HD、AP2/ERF-ERF、bHLH、bZIP、C2C2-GATA、C2H2、C3H、HSF、LOB、MYB相關(guān)和NACTF(補(bǔ)充圖S5C)。下調(diào)的TF包括AP2/ERF-ERF、bHLH、bZIP、C2C2-GATA、C2H2、C3H、2HSF、LOB、MYB相關(guān),NAC、B3、B3-ARF、BES1、HB-HD-ZIP、MYB、Tify和Trihelix,與MYB相關(guān),NAC和WRYKTFs在LE+中受到NaCl脅迫的顯著影響(補(bǔ)充圖S5C)。NaCl脅迫調(diào)節(jié)LE+中A.inebrians的7個(gè)TF,其中2個(gè)上調(diào)TFs和5個(gè)下調(diào)的TFs;上調(diào)的TF包括兩個(gè)WRKY和一個(gè)NF-YCTFs,而下調(diào)的TFs包括bZIP、GARP-G2-like、HSF、三種MYB相關(guān)和一個(gè)NF-YATF(補(bǔ)充圖S5D)。

9、E.Gansuensis改變與類黃酮生物合成相關(guān)的關(guān)鍵基因的表達(dá)、光合作用、植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和氨基酸代謝在氯化鈉壓力下

E.gansuensis顯著激活10個(gè)基因和5個(gè)光合作用基因分別為0mM和200mMNaCl濃度下。E.gansuensis的作用寄主植物的光合作用基因更明顯在0mMNaCl下比200mM氯化鈉(圖6A)。此外,E.gansuensis顯著激活植物的五個(gè)信號(hào)傳導(dǎo)基因在0mMNaCl濃度下;這些基因包括乙烯信號(hào)通路的兩個(gè)基因、生長(zhǎng)素信號(hào)通路的兩個(gè)基因和脫落酸信號(hào)通路的一種基因。然而,E.gansuensis沒(méi)有顯著激活植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)基因在200mMNaCl濃度13下(圖6B),這意味著NaCl的影響大于E.gansuensis在植物激素基因表達(dá)方面的研究。E.gansuensis顯著下激活植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)基因在0mMNaCl濃度下,但E.gansuensis在200mMNaCl濃度下顯著調(diào)控兩個(gè)類黃酮生物合成基因(圖6C)。E.gansuensis顯著抑制氨基的八個(gè)基因在0mMNaCl濃度和E.gansuensis的酸代謝顯著激活下激活植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)基因在200mMNaCl濃度下的(圖6D)。更遠(yuǎn),E.gansuensis顯著下調(diào)甘氨酸、絲氨酸和蘇氨酸代謝,以及作為色氨酸代謝在0mMNaCl濃度下。E.gansuensis顯著下調(diào)賴氨酸降解,上調(diào)精氨酸和脯氨酸代謝在200mMNaCl下。因此,很可能,E.gansuensis通過(guò)調(diào)節(jié)宿主氨基酸代謝來(lái)提高A.inebrians的耐鹽性。

文章亮點(diǎn)

本文通過(guò)全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄組結(jié)合二代轉(zhuǎn)錄組分析,研究了在NaCl脅迫下,E.gansuensis對(duì)宿主A.inebrians的重排生物學(xué)過(guò)程產(chǎn)生重大影響以適應(yīng)各種NaCl濃度。結(jié)果表明內(nèi)生真菌重塑宿主的基因表達(dá)以適應(yīng)高鹽環(huán)境,探索了E.gansuensis提高寄主草對(duì)NaCl脅迫的耐受性的分子機(jī)制,PacBio測(cè)序獲得的轉(zhuǎn)錄本數(shù)據(jù)主要促進(jìn)了A.inebrians基因注釋,進(jìn)一步推動(dòng)了基因研究功能。研究證明了內(nèi)生真菌增加宿主對(duì)鹽脅迫的耐受性分子機(jī)制,為內(nèi)生菌制造耐鹽草料分子育種提供理論依據(jù)。14

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