2021-11-22
期刊《Microbiome》 影響因子14.65 |
近期，派森諾與中國科學院生態環境研究中心、中國科學院大學合作，又雙叒在《Microbiome》發表論文，通過擴增子測序和宏基因組測序等方法，研究了植物發育過程中微生物群落與氣候、土壤因子和施肥調控措施等多種因素交互影響下的土壤和植物微生物群落組合機制，為不同環境條件下植物微生物組結構及功能的時期演替特征提供了系統描述。可喜可賀！
研究背景
植物、微生物以及環境間復雜且動態的互作關系影響著植物共生微生物組群落的構建和宿主植物的健康狀態，但是對于驅動植物—微生物組—環境相互作用的基本生態過程仍知之甚少，同時對于植物不同發育階段的土壤—植物連續體上細菌—真菌跨界互作動態、這些復雜的微生物互作如何影響微生物組群落構建和宿主健康，還存在較大的研究空白。因此，需要進一步了解植物微生物組的群落構建、生態功能以及互作網絡的動態變化和作用機制，這對將來充分發揮和調控微生物組功能、開發農業微生物組資源及促進農業可持續生產具有重要意義。
研究方法
試驗對象
以兩種不同土壤類型、氣候條件以及不同施肥措施地區的玉米為研究模型，收集根際土壤、非根際土壤、根、葉、玉米籽粒以及塑料葉（代表環境起源微生物）為樣本；
檢測方法
細菌16S rRNA基因V5-V6區測序（432個樣本）、真菌ITS2測序（432個樣本）、宏基因組測序（18個葉片表面樣本）；
測序平臺
Illumina MiSeq與NovaSeq高通量測序平臺。
研究結果
1.植物不同發育過程中微生物組的多樣性和群落構建
植物不同發育階段對植物部位中細菌和真菌豐富度指數（Chao1）的影響較大，植物部位從幼苗期到成熟期細菌豐富度指數呈下降趨勢，真菌則相反。PERMANOVA和NMDS結果顯示，植物發育階段對大部分葉面、葉內和根內細菌、真菌群落的解釋度最大（16-45%），對葉面微生物的影響最強（細菌45.1%，真菌39.6%）；而根表、根際和非根際土壤中的微生物群落主要由地區（31-65%）解釋。在植物水平上，微生物組結構主要由植物生態位（細菌54.8%，真菌39.6%）解釋，其次是發育階段（細菌6.1%，真菌5.4%）和地區（細菌3.7%，真菌7.5%）。
植物發育階段對確定性（|BetaNTI|≥2）和隨機性（|BetaNTI|<2）過程在植物共生微生物組裝配中的相對貢獻影響較大。在幼苗期，植物部位細菌群落（~71%）的確定性過程相對貢獻比真菌群落（~47%）高，在成熟期，真菌群落（~64％）確定性過程的相對貢獻比細菌群落（~53％）高。而在根際（71-81%）、非根際土壤（61-76%）和塑料葉（87-100%）中的微生物群落主要由確定性過程驅動。
2. 微生物界間網絡的時間動態
通過共現網絡評估宿主發育階段對植物—土壤連續體中細菌和真菌界間相互作用的影響。研究發現，微生物界間網絡模式在三個發育階段有明顯變化，在幼苗期細菌類群的網絡連接度比真菌類群高，在成熟期則相反。負網絡相關性的比例從幼苗期的6.1%顯著增加到成熟期的50.5%。并在幼苗期發現了3個網絡樞紐（細菌3，真菌0）和抽雄期2個（細菌1，真菌1）以及成熟期的10個（細菌4，真菌6）。
3. 微生物群落組成的時間動態
研究發現，在植物三個發育階段過程中植物部位的細菌和真菌群落有明顯變化，而根際和非根際土壤中沒有。通過線性混合模型分析表明，植物發育階段對細菌放線菌（F=132.7，P<2.2e-16）和擬桿菌（F=78.4，P<2.2e-16）以及真菌的子囊菌綱（F=34.0，P=8.3e-14）和座囊菌綱（F=20.0，P=1.6e-8）的影響最強；植物部位中的放線菌在幼苗期（26.1%）比抽雄期（15.9%）和成熟期（12.1%，P<0.001）更豐富。從幼苗期到成熟期，根表中座囊菌綱的相對豐度增加（P<0.001），而根內的座囊菌綱則相反。在三個發育階段過程中，座囊菌綱在塑料葉和葉片表面的真菌群落均占主導。隨機森林分析表明，在幼苗期和抽雄期，細菌群落組成是作物產量的強預測因子，而成熟階段的真菌群落則更為重要。進一步通過Mantel分析發現在三個發育階段中土壤細菌群落與土壤氮循環相關的酶活有顯著相關性，土壤真菌群落與碳和磷循環相關的土壤酶活顯著相關。
4. 葉表面微生物組的功能特征
宏基因組測序分析發現，玉米葉表微生物組的功能組成與塑料葉顯著不同（R2=44.3%，P<0.01），植物發育階段對葉片表面的微生物組功能也有顯著影響（R2=50.0%，P<0.01）。玉米葉表微生物組在幼苗期有更高的功能多樣性且特異富集了更多的功能基因，如參與硝酸鹽還原的功能基因（narG和narH）。而一氧化二氮還原酶基因（nosZ）、氮同化基因（nasA和nasB）、碳降解基因（xylA和amyA)和磷轉運（pstA和pstB）相關基因在其它兩個發育階段更豐富。
研究結論
本研究表明，植物宿主發育階段對植物微生物組的組裝和功能產生重要影響，細菌和真菌微生物組在植物發育的不同階段發揮不同的生態作用。本研究為宿主在植物生長和發育過程中通過確定性選擇對植物微生物組產生強烈影響提供了依據，進一步加深了我們對植物-微生物組互作機制的認識，并對未來以調控微生物組來加強植物保護和農業生產的可持續方式的開發具有重要意義。
本研究的高通量測序和部分數據分析工作由上海派森諾生物科技有限公司完成。
