Nat Commun：宏基因组学揭示植物与根际微生物在干旱下的互作机制

基因组水平的宏基因组学揭示了铁代谢在干旱诱导的根际微生物组动态中的作用

Genome-resolved metagenomics reveals role of iron metabolism in drought-induced rhizosphere microbiome dynamics

Nature Communications [IF:14.919]

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-021-23553-7

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-23553-7

发表日期：2021-05-28

干旱对作物生长发育有着重要的影响，也是制约作物产量的关键因素。已有研究证明，微生物组在增强植物的抗旱能力方面发挥着重要作用。但是当前对于根际微生物与植物在干旱下的互作机制知之甚少。课题组前期的研究证实干旱会诱导根际微生物组中放线菌的富集。

本研究以高粱作为研究对象，对高粱根际土壤样品进行鸟枪法宏基因组测序，最终从样品中提取了55个高质量的细菌基因组，其中有15个基因组被注释为放线菌。进一步分析显示，虽然15种放线菌基因组相对丰度在干旱条件下都会增加，但是只有10个基因组表现出显著性提高。这表明即使在放线菌门内，也可能存在不同的干旱响应表型。比较基因组学揭示铁转运和代谢相关基因的拷贝数在干旱下显著富集的放线菌基因组中增加。这些结果暗示了铁代谢和转运在根际微生物适应干旱胁迫过程中的重要作用。进一步对根际铁稳态与干旱条件下根际放线菌的富集程度之间的关系进行了探究，发现高粱根际的铁稳态会受到干旱干扰，表现为干旱下铁吸收减少、铁储存增加，而这一过程会增加根际放线菌在干旱下的富集丰度。此外，外源施加铁会降低干旱条件下链霉菌的适应性优势和促进植物生长的能力。总之，该研究剖析了植物与微生物组在干旱下的相互作用关系，增进理解根际微生物组在植物对干旱胁迫过程中发挥的重要作用，为利用微生物组提高植物抗逆性提供了重要的参考价值。

主要结果

图1 干旱条件下高粱根际微生物物种组成的相对丰度

Relative abundance profiles of microbial taxa in the sorghum rhizosphere under drought

浇水对照 (a, c, e) 和干旱处理 (b, d, f) 通过 16S rRNA 基因扩增子测序 (a, b )，来自鸟枪宏基因组数据集的共组装重叠群 (c, d)，以及映射到 55 个宏基因组组装基因组 (MAG) 的所有读长 (e, f)，前13个最丰富门的根际相对丰度百分比 (y 轴)。

所有五个时间点(TP3-TP10，显示在 x 轴上)都是根据所有三种数据分析类型的数据可用性选择的。映射到其他门或在门级别无法分类的所有读长被分组到第十四类，命名为其他。TP：时间点。

图2 干旱条件下根际和土壤中细菌基因功能能力的富集

Bacterial gene functional capacity enrichment in rhizosphere and soil under drought

来自共组装重叠群的所有基因的细菌基因本体论 (GO) 富集分析显示，在干旱高峰期 (TP8) 根际或土壤在干旱条件下富集(第 1 和第 2 组)或降低(第 3 和第 4 组)。x 轴上的值表示每个类别中干旱条件下上调或下调基因的相对百分比相对于整个数据集中相应类别中基因总相对百分比的倍数富集比。差异表达基因少于五个的类别被省略。实心圆圈表示在单侧超几何检验中富集是显著的(p值<=0.05)。结果中更详细讨论的两个类别以粗体显示。

图3 55个MAG 的系统发育树

Phylogenetic tree of the 55 MAGs

a 图中心的系统发育树是由所有 55 个 MAG 构建的。位于树枝末端(内环)的符号代表每个 MAG 的估计基因组完整性。星号(黑色)表示完整性大于 90%；三角形(深灰色)代表完整性在 80% 到 89.9% 之间；方块(中灰色)表示完整性在 70% 到 79.9% 之间；圆圈(浅灰色)表示完整性在 60% 到 69.9% 之间。彩色中间环代表每个 MAG 所属的门。彩色条的外环代表与浇水对照根际相比，干旱处理的根际内每个 MAG 的相对 log2 倍富集(橙色)或减少(绿色)。这棵树是用古菌外群进化枝重新确定根的。

b 从(a)中的 55个MAGs 树中剪下的 15个放线菌 MAGs 的系统发育树。左边的标签代表数据集中每个 MAG 的名称。右侧的条形图表示干旱条件下根际群落中的 log2 倍数富集。条形右侧的点表示非显著富集的 MAG，p 值 > 0.05；条形右侧的星号表示显著富集的 MAGs，p 值 < 0.05。使用 edgeR 计算 log2 倍富集和 p 值。

图4 根际干旱高峰期富集放线菌宏基因组组装基因组(MAG)的GO富集分析

GO enrichment analysis of enriched Actinobacterial metagenome-assembled genomes (MAGs) at the peak of drought in the rhizosphere

所有COGs的GO富集分析显示，干旱条件下，在时间点 8 (TP8) 干旱条件下的根际，与未富集的放线菌 MAGs (n = 5) 相比，富集的放线菌 MAGs (n = 10) 在基因组内富集。x 轴上的值表示每个类别中干旱下上调 COG 的相对百分比相对于整个数据集中相应类别中 COG 总相对百分比的倍数富集比。实(填充的)圆圈表示在单面超几何检验中富集的 p 值 < 0.05 的类别，空心圆圈表示 p 值 > 0.05 的类别。

图5 干旱胁迫下高粱根铁代谢基因表达情况

Iron metabolism gene expression in sorghum roots under drought stress

在干旱胁迫的根组织中，对于被注释为与铁稳态相关的大约 234 个表达基因，Log2 倍数表达随时间(x轴)的变化。顶部的x轴上表示时间点，时间点上方表示干旱(橙色)和恢复(绿色)处理阶段。层次聚类分析展示了两种广泛的基因表达模式：一组在干旱胁迫下表现出强烈下调的基因(用紫色树枝表示)，以及一组在干旱胁迫下表现出强烈上调的基因(用粉红色树枝表示)。右侧的五个标记基因代表在下一部分中使用 qRT-PCR 在玉米野生型和tom1突变体中研究的基因。

图6 植物中的TOM1缺陷型改变了根际微生物群落的组成

TOM1 deficiency in plants shapes the composition of the rhizosphere microbial community

根际微生物组组成的约束排序显示对照(a)和干旱(b)条件下植物基因型(野生型或 tom1 突变体)的影响。椭圆表示包含每个基因型95%概率的均值周围的区域。每个图顶部的 p 值代表 WT 和突变体之间差异的显著性，通过单侧的 PERMANOVA检验评估的。

c 在对照(左栏)和干旱(右栏)条件下，tom1 与野生型玉米中放线菌相对丰度的比值。

d 在生长室中生长 2.5 周的对照(左面)或干旱(右面)条件下，野生型和 tom1 突变植物根际中 13 种最丰富的细菌门的相对丰度。在对照条件下，WT 和 tom1 突变体丰度的显著差异通过配对双两尾T 检验确定，并用门名称右侧的星号表示：，p < 0.05；，p < 0.01；，p < 0.001。

图7 外源铁破坏链霉菌的富集并逆转促进植物生长的能力

Exogenous iron disrupts Streptomyces enrichment and reverses plant growth promotion capacity

a 在施铁和模拟对照 (0 mM Fe3+)两个水平的Streptomyces ceolicolor Sc1(上图)和Pseudomonas syringae (下图)菌株的对照(绿色)和干旱处理(橙色)根样品中使用谱系特异性引物进行qPCR测定的相对细菌数量的箱线图。

b 基于使用Fe3+ 和模拟对照 (0 mM Fe3+)两个水平鲜根重表型的测量发现干旱下链霉菌放线菌赋予的促进根生长的表型丧失(上图)。在对照条件下未观察到显著差异(下图)。单尾Tukey的多重比较检验用于计算不同接种之间的 p 值。值是来自七个独立生物学重复的平均值 ± SD (n = 7)。

对于 (a)、(b)，单侧 Tukey 多重比较检验用于计算不同接种之间的 p 值。

图 8 铁、干旱和根微生物组之间的互作模型

Model of interaction between iron, drought, and the root microbiome

a 在干旱胁迫下，高粱的光合作用能力下降，从而导致对由根部摄入的铁的需求的减少。同时，随着水分从土壤孔隙中去除，周围的土壤环境变得越来越好氧。

b 土壤通气性的增加导致铁对植物和微生物的可用性降低，因为铁越来越多地以不溶性Fe3+的形式存储(如红色文本所示)。同时，由于对铁的需求减少和根组织中存在的 ROS 水平增加，高粱根会降低铁吸收机制的表达，包括TOM1，它向根际输出植物铁载体mugenic acid (MA)，以溶解Fe3+(见蓝色文本)。总的来说，这导致了根际铁的可溶性降低，并减少了根区的有效铁。

c 由此产生的根和根际环境中的低铁可用性促进了干旱富集的细菌类群(以蓝色显示)的生长，这些细菌类群具有高拷贝数的铁转运和代谢相关基因，能够比干旱减弱的谱系(以棕色显示)更好地吸收有限的铁。

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