土壤种植历史对根际微生物及植物形状的影响 | 微生物专题

发表期刊：ISME Journal影响因子：9.18关键词：根际微生物，宏基因组，转录组，单作，轮作发表时间：2019
研究内容植物的根际微生物在植物的营养吸收、生长激素的产生及对疾病防御等诸多方面起着作用。由于植物根际微生物的选择性富集来自大块的非根际土壤，作者假设由于农业管理措施引起的土壤群里组成变化会影响植物的根际微生物群落。本研究中，作者对花生(Arachis hypogaea) 的根际微生物进行了宏基因组测序，并且分别对单作和轮作两种不同种植模式下的花生根组织进行了转录组测序分析。结果发现土壤种植历史对于花生根际微生物具有非常显著的影响，单一作物会导致植物根际微生物多样性的减少，而少数几种微生物会显著富集，并且营养代谢、植物激素合成等植物表型相关性状会减弱，单一作物模式种植的花生与生长相关的植物激素合成基因（生长素和细胞分裂素）显著下调表达，而与脱落酸、茉莉酸及乙烯通路上的基因显著上调表达。研究结果揭示了土地种植历史会影响作物的根际微生物及植物生理的情况。实验设计选择一块休耕土地，将场地分为6块（6m*12m），包括两个种植系统：单作区（3块、使用相同的花生品种连续种植四年）和轮作区（3块、第一年和第三年种植花生，第二年和第四年分别种植玉米和马铃薯）。四年后从六个样池中每个样地中随机采集土壤样品用于盆栽试验，每个样地的土壤转移到5个盆中，收获时将5个盆中的植物和根际土壤合并，在后续分析中每个田间种植系统采用3个独立重复。实验方法

宏基因组，转录组

研究结果

单作和轮作土壤中根际微生物群落的差异情况

文章分析了两种种植系统在土壤中种植的花生的根际基因组。首先比较了物种的组成和功能（Bray-Curtis距离）。单作花生的根际含有微生物，其微生物的系统发生和功能组成与轮作根际不同（图1a，图  1b）。此外，根据香农指数估计，单作花生根际微生物群落多样性低于轮作花生根际（p  <0.05，图  2b）。图1a 单作和轮作土壤样品花生根际宏基因组热图 ；
图1b基于MG-RAST数据库的花生根际元基因组中单耕和轮作土壤主要功能通路的差异。MP：单作土壤的花生根际，RP：轮作土壤的花生根际图2群落多样性MP：单作土壤的花生根际，RP：轮作土壤的花生根际Proteobacteria 在根际细菌群落中占主导地位（图3a）。 单作花生根际中Gammaproteobacteria 和Betaproteobacteria 的含量显著低于轮作花生根际。相比之下，单作花生根际Deltaproteobacteria 相对丰度略高于轮作花生根际。单作花生根际中的细菌Acidobacteria 的含量明显少于轮作花生根际，而Actinobacteria ，Bacteroidetes， Firmicutes , Chloroflexi  和Verrucomicrobia 则相反（图3a）。对于两个最丰富的真菌门Ascomycota 和Basidiomycota 两种种植系统也有着明显的丰度差异（图3b）。在古菌方面与轮作花生根际相比，单作花生根际中古菌的含量显着丰富（图3c）。图3单作和轮作土壤中细菌(a)、真菌(b)和古菌(c)系统类型的相对丰度MP：单作土壤的花生根际，RP：轮作土壤的花生根际然后在属水平上进行深入分析，并根据组内相对丰度分为优势属（> 1％），普通属（0.1-0.1％）和稀有属（<0.1％）。分析表明，种植系统对花生根际大多数优势菌属的影响不明显（图4），Bordetella和Burkholderia在单作花生根际显著富集。图4单作土壤中花生根际细菌属的相对丰度变化倍数。倍数变化定义为（MP-RP）/ MP，其中MP是单作土壤中细菌属的相对丰度，RP是轮作土壤中细菌属的相对丰度。红色，倍数变化> 2优势属：> 1％正方形，普通属：0.1–1％三角形，稀有属：<0.1％圆形

单作和轮作土壤根际宏基因组的代谢功能丰度差异情况

与轮作土壤相比，单作土壤的根际基因组中有几个代谢途径差异丰富，包括细菌趋化性，鞘脂代谢，肌醇磷酸代谢，淀粉和蔗糖代谢，核苷酸切除修复，苯丙氨酸生物合成，聚糖降解，果糖和甘露糖代谢，而脂多糖生物合成、ABC转运体和核黄素代谢功能显著下降，在营养循环方面，氮代谢、硫代谢和氧化磷酸化的途径在单作花生根际中明显较低（图1b）。

单作和轮作土壤根际中促进植物生长的基因表达情况

KEGG注释结果鉴定出可能与植物生长促进有关的基因，与植物生长促进功能相关的主要差异丰富的基因。比较得到促进植物生长的基因在单作土壤中的基因表达水平大多低于轮作土壤中的基因表达水平（图5）。图5两种种植模式中植物生长促进功能相关基因比较

单作种植和轮作的植物性能比较

单作花生植物性能（株高，根长，枝条和根重）明显小于轮作土壤中种植的花生，但未观察到根病症状（图  6a）。在无菌实验中，结果得到了证实。（图  6b）。图6花生盆栽与无菌栽培的植物性能比较MP：单作土壤的花生根际，RP：轮作土壤的花生根际

单作和轮作种植花生根系转录组比较

热图分析显示，花生在单作和轮作土壤中的基因具有各自不同的表达模式（图7a）。植物激素不仅是植物生长发育所必需的，而且在宿主与微生物的相互作用中也起着至关重要的作用，因此重点研究了生长素、细胞分裂素、脱落酸(AA)、水杨酸(SA)、茉莉酸(JA)和乙烯(ET)合成相关的植物基因表达情况。转录组数据显示，在生长素产生途径中，单作花生中编码生长素抗性1（AUX1），AUX / IAA，生长素应答因子（ARF）等基因下调。在细胞分裂素途径中，A-ARR和B-BRR转录因子基因下调，而编码GID1和参与赤霉素信号转导的转录因子的基因上调。相比之下，来自SA，JA和ET信号通路的大多数基因均上调，编码AA合成的转录阻遏物的ABF基因也上调（图7b)。此外，在单作花生中，涉及植物对细菌因子的反应的许多基因，包括鞭毛蛋白和EF-Tu上调  。但是，参与对真菌病原体反应的大多数基因的表达显然保持不变。在单作花生中，谷氨酸合成中涉及氮代谢的一些基因（例如GLU2）下调，而异黄酮生物合成和苯丙烷类生物合成的许多基因上调。图7a单作和轮作土壤中种植的花生基因表达热图图7b花生植物激素信号通路基因表达分析，热图表示与轮作相比单作花生基因的表达水平；彩色框绿箱，基因下调；红色框，基因上调小结研究揭示了农业耕种历史对与当前作物相关的根际微生物群的重要影响，并且根际微生物与植物表型紧密相关。连续单培养后在作物根际中富集的物种可能导致耕种土壤中作物根际的群落功能下降，可能涉及调节植物激素信号转导，从而对作物生长产生影响。总体而言，本文提供的结果可洞悉土地耕种历史通过选择特定根际微生物而产生的植物表型的影响。
参考文献Xiaogang Li ,Alexandre Jousset3,Wietse de Boer .Legacy of land use history determines reprogramming of plant physiology by soil microbiome  by The ISME Journal ,2019.
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