全球柑橘的根际微生物结构与功能组成 | 微生物专题
柑橘是一种全球重要的多年生果树，其根际微生物群落被认为在促进柑橘生长和健康方面发挥着重要作用。本文通过扩增子以及宏基因组测序对柑橘根际微生物群的结构和功能组成进行了综合分析，鉴定到优势类群包括变形杆菌、放线菌、酸杆菌和拟杆菌等。柑橘根际核心微生物群由假单胞菌、农杆菌、铜绿假单胞菌、慢生根瘤菌、根瘤菌、中生根瘤菌、伯克霍尔德氏菌、纤维弧菌、鞘氨醇单胞菌、变色单胞菌和副库尔克霍尔德氏菌等组成。同时鉴定了在柑橘根际中介导植物-微生物和微生物-微生物相互作用、营养获取和促进植物生长等相关的微生物功能性状。这些结果为指导微生物分离和培养提供了有价值的信息，并潜在地利用微生物群的力量来改善植物的生产和健康。
发表期刊：Nature Communications
发表时间：2018
影响因子：11.876
研究内容：宏基因测序技术研究植物-病菌互作的分子遗传与功能基因组学
从覆盖所有六大洲柑橘八个主要柑橘生产国的23个代表性地点采集了柑橘根际和相关的散装土壤样本（图1）。这23个地点包括7种不同的土壤类型和6种气候类型，土壤pH值在5.2~8.8之间变化，有机C、N和P含量变化很大。对根际和土壤样品进行了扩增子(16S rDNA和ITS2)和宏基因组测序。
全球柑橘根际微生物群的分类特征
由扩增子和宏基因组序列得出的群落组成估计在门系统水平上高度一致, 柑橘根际中发现的主要原核门包括Proteobacteria变形杆菌，Actinobacteria放线菌，Acidobacteria酸性杆菌和Bacteroidetes拟杆菌，而真菌门则包括Ascomycota子囊菌和Basidiomycota担子菌（图2a）。对全球范围内的样品柑橘根际和土壤微生物群落的分类学研究显示，在块状土壤和根际中的α多样性之间没有显着差异(图2b)。非加权UniFrac距离PCoA（主坐标分析）以及VPA（变异分区分析）揭示了根际和整体土壤的群落组成没有差异（图2c）。
基于扩增子和宏基因组的序列，比较了高（门）和低（属）分类等级中大块土壤和根际微生物的相对丰度，以确定在这两个生境中丰度不同的群落成员。结果均表明，根际中相对较高的细菌菌群如Proteobacteria和Bacteroidetes存在,而在较低的相对丰度下，多个古细菌如Crenarchaeota，Euryarchaeota和Thaumarchaeota的检测率较高。
图2柑橘根际和土壤微生物群落的生物分类分布和多样性比较
全球柑橘根际微生物组的核心分类群
由于宏基因组测序提供了更全面的分类学信息，并且鉴于此方法得到的群落组成与扩增子测序一致，因此选择该方法来定义核心根际微生物组。根据以下标准确定了根际微生物组的核心分类群：与相应的散装土壤样品相比，该属在根际中均富集，并且在全地球样品中超过75％存在。通过这种标准，大多数鉴定出的微生物，即2193个属中的1677个属（76.5％）存在于超过75％的根际样品中，并且138个属从大量土壤富集到根际。通过上述标准，在核心柑桔根际微生物组中鉴定了132个属（图3a）, 如Pseudomonas假单胞菌，Agrobacterium农杆菌，Cupriavidus铜杯菌，Bradyrhizobium缓生根瘤菌，Rhizobium根瘤菌等，与这些核心细菌属有关的多个成员被称为植物有益微生物，这些微生物可能有助于维持植物激素平衡，控制根系发育，促进营养获取并预防植物宿主中的疾病。此外，与子囊菌相关的七个核心根际真菌属被鉴定为核心菌群，如nonpathogenic Fusarium非致病性镰刀菌和小毛菌属Hirsutella，可能是分别控制真菌和线虫病原体的潜在生物防治剂（图3b）。Exophiala外瓶霉属和Colletotrichum炭疽菌属被认为促进非生物胁迫下植物通过激素产
图3柑橘核心根际微生物的特征
全球柑橘根际微生物组的核心功能特征
柑橘根际微生物群和整体土壤微生物群的单基因组分别比人类肠道和海洋微生物群大4倍和18倍。但单基因集的稀疏分析表明，柑橘根际和整体土壤微生物区系的单基因集均未达到平稳状态（图4a），这表明柑橘根际和整体土壤微生物区系具有更高的多样性和复杂性。通过对KEGG Orthology（KO）数据库进行比对发现约54％的单基因具有功能注释，共有15,610个KO被分配给带注释的单基因，KOs主要参与23个KEGG 的2级通路（图4b）。根际和散装土壤样品的成对比较显示，根际样品中富集了1748个KO，而衰竭了1417个Kos。使用核心类群分析中75％的代表性和富集度，再次定义了柑橘根际微生物组的核心和衰竭的功能性状（图4cd），这些核心功能性状主要涉及植物-微生物和微生物-微生物之间的相互作用以及可能与微生物养分吸收有关的途径。根际贫化的功能性状参与遗传信息处理和代谢途径，例如碳水化合物代谢，氨基酸生物合成，能量代谢和核酸生物合成等（图4e）。在核心根际微生物组中，参与已知植物-微生物和微生物-微生物相互作用（例如细菌分泌系统，鞭毛装配，细菌趋化性，细菌毒素，细菌运动性，两组分系统和生物膜形成）的KOs过多出现（图5a）。在核心根际微生物组中也观察到了与芳香族化合物（如苯甲酸酯，氨基苯甲酸酯和二甲苯）降解有关的途径的富集。植物通常会释放出此类芳香化合物，通常作为对植物病原体的防御。另一方面，根际贫乏的KO包括介导碳固定和氨基酸生物合成等（图5b）。这些发现与根际微生物可以从根系分泌物中获取各种简单的碳和氮源这一事实相一致。许多核心根际KO可能通过参与多种过程（例如营养获取，激素平衡，环境适应和病原性抑制以保护植物）而使植物受益。
图 4 柑橘根际微生物组核心功能的特征
图 5 根际微生物组中核心和普遍缺乏的KO的相对丰度
大多数植物相关微生物群落研究都是基于16SrDNA扩增的方式进行的，但是基于扩增的群落图谱既不能提供微生物的基因组信息，也不能提供微生物的功能信息。而植物微生物群促进可持续农业的研究重点包括确定调节植物-微生物群相互作用的作用机制，以及确定作物和非作物植物物种的核心微生物群。这些无一不要求进行宏基因组学研究，来获得特定群落的分类学、基因组和功能信息。因此宏基因组学分析对于理解微生物群落组成与功能是十分必要的。