干旱和寄主选择对根微生物群落动态的影响 | 微生物专题

发表期刊：The ISME Journal发表时间：2017研究内容：干旱和寄主选择对根微生物群落动态的影响影响因子：9.52实验方法：16S rDNA+ITS测序


研究背景干旱无所不在，对农业造成的破坏性强，干旱每年在全世界造成数十亿美元的损失，在干旱胁迫下，根内生真菌在决定宿主适应度方面起着重要作用，然而干旱对更广泛的根内环境细菌群落的影响仍然没有明确的特征，关于干旱是如何影响植物根系微生物群落的，以及这些在不同植物宿主之间变化的程度研究甚少。在这项研究中，科学家们总结了18种不同耐旱程度的禾本科植物（包括重要的农作物）与干旱处理后的根系和根际组织相关的细菌群落的系统发育概况。我们的实验设计使我们能够研究干旱对草类微生物群落的影响，观察这种影响是否在具有不同耐旱性的宿主中是否特异，并评估正常和干旱条件下寄主系统发育与根微生物组群之间的关联程度。
研究方法样本准备研究中使用的主要试验田是位于加利福尼亚州奥尔巴尼的农业用地，其特征是pH=5.2低PH的粉质壤土；第二个场地位于加州大学管理的卡尼农业研究站，有特征是pH=7.37中PH的砂质壤土。初步研究中使用的9种C3和9种C4种和番茄品种， 9种C3物种包括两种小麦品种（TaB和TaG）、单孢小麦（Tm）、粗粒小麦（Tt）、黑麦（Sc）、大麦（Hv）、燕麦（As）、高羊茅（Fa），短尾水蚤（Bd），9个C4物种包括两个变种的高粱双色（SbA和SbH），高粱laxiflorum（Sl），高粱nutans（Sn），中华芒（Ms），臭根子草（Bb），玉米（Zm），美洲狼尾草（Pa），画眉草（Eragrostis tef（Et））和一个外群茄属植物（Out）。样本种子表面消毒、发芽并在生长室中生长2周，然后将所有植物分为5个全因子复制块移栽到田间。在对照条件下，采用滴灌方式，在对照处理下，用1.89 L h−1流量发射器，每周给植物浇水1小时，在干旱处理期间不浇水。在早期（开花前）时间点，在移植后2周干旱，在移植后5周收获。在晚（开花后）时间点，在移植后4周干旱，在移植后12周收获。在采集时，从营养生长过渡到生殖生长的植株在早期的时间点为2.1%（几乎完全归因于番茄茄属植物），而在晚时间点则为93.4%（芒是唯一没有开花的植物）。对于土壤含水量和植物生物量，在所有五个重复区块的收获期采集样本。使用15 cm土芯取样器从植物底部收集约20 cm的大块土壤，根系是从25cm的土壤中挖出来的，收集并储存在真菌去除缓冲液中并储存在冰上。然后低速超声后，残留在管底部的土壤被保留为“根际”，而根则被转移到一个新的试管中，用无菌水冲洗两次，并保存在无菌真菌去除缓冲液中。数据分析通过分析rbcL（Rubisco大亚基）、ndhF（NADH脱氢酶亚基F）和matK（tRNA Lys）三个基因，确定了19个宿主之间的系统发育程度。然后进行DNA提取，使用针对V3–V4区域对样本进行扩增；Illumina测序得到的原始数据进行质量过滤、聚类和分类。去除低丰度的OTU后数据集包括2760个OTU，包括32个不同的细菌门。研究结果图1 不同影响因子对多样性的影响由图可以看出，在三个影响因子中，处理效果最大，其次是种类和时间点。在处理上，香农多样性的中位数值在所有样本类型和时间点的组合中均低于对照，但 tukey分析表明，这些差异仅在早期时间点显著。通过β-多样性分析可以看出，通过浇水处理后的样本，群落的差异性明显大于对照组。基于加权UniFrac距离的主坐标分析，在其他因素相同的情况下，两种浇水处理下根和根际差异比例较大，这与寄主物种有一定的关系，这表明干旱可能会导致18个草寄主的根和根际微生物群落的保守变化。图2 研究了与干旱相关的相对丰度模式的变化观察到最显著变化是放线菌的富集。这种富集在根中最为明显，放线菌在根际和土壤中的富集率分别为2.3倍和1.5倍，干旱条件下，类杆菌也有富集现象，而酸杆菌和德拉塔蛋白杆菌相对减少。再从热图中可以看出，在不同属水平下，所有寄主物种都发生了富集，包括非草外类群番茄（out），这表明这种现象可能对单子叶植物和双子叶植物都适用。图3 物种进化树尽管在所有样本类型中，33%的属在干旱条件下富集，但大多数属特别富集在根、根际（糖精多孢菌、放线菌、糖菌）或仅在土壤中富集（克里伯菌、柯托杆菌、，在放线菌分类学和样品类型特异性富集模式方面没有总体趋势。图4 宿主进化树以及不同宿主、干旱时间植物差异分析根系样品普遍表现出寄主系统发育距离和微生物群距离之间的显著相关性，但Mantel对根际样品的R统计量值往往较小，并不总是显著的。土壤微生物组分间无显著相关性。当使用Mantel试验比较寄主植物之间微生物群落和物理距离的成对矩阵时，可以看到相反的模式，在土壤中有显著的相关性，但在根际和根中没有观察到相关性。综上表明，群落组成与根内寄主的系统发育距离密切相关。然而相比之下，干旱会削弱这种相关性。
图5 核心物种的相关性19个寄主核心物种的相似性研究显示了不同样本的相似性程度（42.2%-73.5%）。三种高粱比任何其他寄主有更大的常见分类群，其中两个寄主（高粱双色H和高粱稀叶高粱）与其他寄主（55.8%和58.3%）中常见的类群列表重叠程度最低（59.4%）。综上表明，虽然草类植物存在一组共同的根类群，但这些微生物只占所有根OTU的一小部分（6%）。结论干旱可能驱动植物和细菌的进化反应，本文的研究通过显示干旱显著影响植物根微生物群落的组成和多样性，以及观察到的干旱条件下放线菌富集的情况，证明在根的内胚层中比在周围的土壤中更明显。虽然不同的植物宿主显示出对特定根细菌群落的选择与其进化历史相关，但干旱事实上在广泛的植物物种中引起了相对保守的反应。进一步的研究旨在理解一整类细菌和许多植物物种之间高度保守的关系的原因和后果，对于我们更好地理解环境在形成植物-细菌相互作用中的作用具有重要意义。

参考文献：Naylor D , Degraaf S , Purdom E , et al. Drought and host selection influence bacterial community dynamics in the grass root microbiome[J]. Isme Journal, 2017
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