服务热线:025-85381280
文献解读

小米根系微生物分类结构与功能联系

发布日期:2019-03-28 浏览次数:477

发表杂志:GigaScience

影响因子:IF=7.463


谷子根系微生物分类结构与功能联系

根系微生物在植物生产力、营养物质和抗病性等方面发挥着关键作用。在作物和模式植物中,采用16S / 18S / ITS扩增子或宏基因组技术,已经对根系微生物的群落结构进行了广泛的研究。然而,根系微生物与宿主植物生长的功能联系是否相关知之甚少。本研究调查了谷子的根系微生物群落对植物生产力的潜在影响,通过16S rRNA基因扩增子测序,对张家口和杨凌的2882份谷子样品的根表、根际土和土壤进行分析。共鉴定到了16109个OTU,其中包含187个核心OTU。β-多样性分析表明,微生境是影响谷子根系微生物群落的最主要因素,其次是地理位置。大规模关联分析鉴定了与植物高产率相关的潜在有益细菌。此外,功能预测揭示了谷子根表细菌群落中有特异的代谢通路。这些潜在有益的细菌可以作为农业生物肥料开发的宝贵基础。


材料与方法:

取张家口和杨凌两地的1000多个谷子品系,每个品种选择3个作为平行,在两地远离谷子种植的区域收集16份土壤样品,最终选取了1219份杨凌和214份张家口配对品种,作接下来的进一步的研究。根据先前的研究,调查了12项有关作物生长和产量的性状:如上部第二叶长和宽、主茎高、主茎宽、主茎长、主茎直径、边缘颈等。从两个品种中记录了主茎的长度、重、单株粒重、百粒重、主茎数和穗粒数。


结果部分:

1.小米根际微生物群落结构。

本文对2882份样品的16S rRNA基因V4-V5区进行了测序,质控后获得了16109个OTUS,2998个OTUS样本。81.3%的OTUS可分为34个细菌门,主要包括酸性细菌、放线菌和蛋白菌等,共注释为254个科624属,丰度平均高于0.5%。由于样本量小,土壤样品的总OTUS含量最低。图1显示的是土壤和谷子根际微生物门水平的分类。

图1 在小米根际微生物和土壤样本中检出的优势菌门。BS:块状土壤;RP:根表;RS:根际;YL:杨凌;ZJK:张家口。


2.影响根际微生物组成的主要因素。

Chao1指数的稀疏曲线表明,测序深度足以覆盖各个样品中的细菌多样性。此外,由于所观察到的OTU值已达到饱和,因此大样本量使得我们能够捕捉到每个位点根表和根际的细菌多样性。利用UniFrac距离评价了地理位置和微生境对谷子根部微生物学结构的影响,根际和根际微生物区系沿第一主坐标分离。这些结果表明,谷子根际的微生态环境和地理位置是造成谷子根际微生物区系变异的主要原因。


图2.基于加权(A)和非加权(B)Unifrac矩阵的小米根际微生物区系主坐标分析,微生境是最大的分离因子(PCoA 1),地理位置次之(PCoA 2)。BS:块状土壤;RP:根面土壤;RS:根际土壤;YL:杨凌;ZJK:张家口。


3.不同地区根表核心微生物

从杨凌和张家口分别测到329和456个核心OTU,其中80%以上的样本存在于根际,分别占杨凌和张家口根表微生物的63.97%和51.17%。在两个地点共有的187个核心区OTUS(图3A)中,144个OTUS属于细菌、放线菌属、根瘤菌属、伯克氏杆菌属和狮身杆菌属(图3B)。张家口市的核心根表微生物比杨凌地区分布的更均匀(图3B)。芽孢杆菌目是杨凌地区核心根表微生物的优势菌,包括了329个核心OTU中的116个,杨凌根表样品的平均相对丰度为32.72%,比第二优势目放线菌高出2倍。相比较而言,张家口市主要核心微生物是由以下几种微生物组成的:放线菌目(8.92%),伯克氏菌目(8.13%),芽孢杆菌目(6.95%),鞘氨醇杆菌(6.80%)。


图3.核心根表微生物特性描述。(a)韦恩图描述了两个地区核心根表微生物共有和独有的OTU数目。(b)核心根表OTU在目水平的分类分布。

4.根部细菌与小米生长和生产力的关系(根表微生物与健康状态相关)

本文在709个根表样品中用839个OTU做了随机森林模型,对根表OTUs与产量进行回归分析。做了五次重复10倍交叉验证(50次实验),预测得到75个标志OTUs与产量相关(图4A)。确定了otus与单株粒重之间的相关关系(r2=0.31)。在试验组(n=304)中也发现了相似的相关关系(R2=0.293)(图4B);分别有38和37标记OTUS与生产力呈显著正相关和负相关。所有标记OTU的相对丰度分布在谷子谷子的不同生产力组中变化(图4B)。此外,还观察到这些标记OTUS与其他表型如主茎的穗重、主茎的穗粗、每穗粒数、上二叶数等相关。这些结果表明,谷子的产量是由植物遗传和根际微生物组合所决定的。植物可能通过主动或被动地调节有益和有害的根微生物来适应环境。




图4. (a) 采用随机森林模型对根表OTUs与产量进行回归分析,预测得到75个标志OTUs与产量相关。(b) 热图结合层级聚类展示标志OTUs的平均丰度。杨凌谷子的微生物中存在与健康状况相关的标志(marker) OTUs。


5.根表与产量相关微生物网络


图5. 谷子根表产量相关标志OTUs的共丰度网络。左侧为负相关,右侧为正相关。边的颜色表示不同的相关系数。点的文字为科注释,颜色为门注释。


6.谷子根表、根际微生物富集的功能通路

与根际相比,根表微生物中色氨酸的代谢途径丰度增强,吲哚乙酸IAA是促进植物生长所产生的L-色氨酸的共同产物。我们发现了IAA生物合成的所有4种途径:吲哚-3-丙酮酸(IPyA),吲哚-3-乙酰胺(IAM),色胺(TAM)和吲哚-3-乙腈(IAN)途径。发现异生素生物降解和分解代谢途径主要存在于根表微生物组中,13个通路中,有9个在杨凌和张家口的根表微生物组中富集,而硝基甲苯降解途径则在根际菌中特异性富集。


图6. 根表或根际土中富集的KEGG通路。(a) 根表和根际土相比,分别在张家口和杨淩地区富集的KEEG通路。红色为根表富集,蓝色为根际土富集,加号为富集程度较高。(b) 根际、根表特异富集异生质生物降解途径。

结论:

综上所述,本文系统的描述了小米根系细菌群落结构,并发现了根表核心细菌组分。结果表明宿主植物在根表富集特异的细菌和功能。此研究结果对谷子及其根共生菌的相互作用提供了重要的认识。寄主植物通过根系“影响”细菌与多种有机分子;同时,根细菌也可能以多种方式有益于植物的健康和生产力,例如产生重要的植物激素或降解有害的化学物质。


原文链接:https://academic.oup.com/gigascience/article/6/10/gix089/4103627