水稻驯化过程对根际微生物组功能潜力的影响 | 微生物专题

发表时间：2022.1.10

发表期刊：Science of the Total Environment (IF 7.963)

关键词：水稻 (Oryza spp.)，作物驯化，甲烷代谢

研究背景：

水稻 (Oryza spp.) 是最主要的粮食作物之一，它满足了世界一半以上人口的粮食需求。世界各地分布有许多野生和栽培稻种，从野生稻开发栽培稻增加了如产量和营养成分之类的理想性状，已有的研究表明长期驯化和育种的过程也导致水稻根际微生物群落的组成和结构发生了显著变化，包括甲烷代谢相关菌群，而与之高度相关的是世界各地大面积水稻生产区排放的甲烷是全球温室气体排放的主要来源。所以如能在基因水平上比较野生和相关栽培稻种根际微生物组的潜在功能性状，则可以更好地了解作物驯化对根际微生物组的影响，及植物和微生物群落相互选择和共存的基础。

研究对象：水稻根际微生物

研究方法：宏基因组

研究设计：

本研究共有三种野生稻，非洲野生稻 Oryza barthii、 亚洲普通野生稻 Oryza rufipogon和尼瓦拉野生稻 Oryza nivara及两种栽培稻，非洲栽培稻 Oryza glaberrim和亚洲栽培稻 Oryza sativa。

使用一种非洲野生稻 [SW42 (Af_W1-5)] 和一种非洲栽培稻 [两个品种LM8 (Af_C1-5) 和 WH20 (Af_C6-10)] 比较非洲野生稻和栽培稻；使用两种亚洲野生稻，普通野生稻 [两个品种SW499 (As_W1-5) 和 SW502 (As_W6-9)] 和尼瓦拉野生稻 [两个品种SW218 (As_W11-15) 和 SW223 (As_W16-20)]，及一种亚洲栽培稻 [4个品种106 indica (As_C1-5)、 Meitezhen indica (As_C6-10)、 Jiangxi japonica (As_C11-15) 和 Daohuaxiang japonica (As_C16-20)] 用于亚洲野生稻和栽培稻的比较。

试验田大小为 2m x 2m，采用随机区组设计，间距 0.5 m。除普通野生稻品种 SW502 (As_W6-9) 有 4 个重复，其他均有 5 个重复。每个样本收获 4 株开花期植株，轻轻刷洗整个根系收集根际土壤，最后使用 0.5 g 土壤提取根际微生物组 DNA。

表1 本研究使用的野生稻及其近源栽培种

主要结果：














01不同野生稻及其近源栽培稻根际微生物组功能概况

通过PCA 分析发现，野生稻和栽培稻之间根际微生物的潜在功能特征明显分离，另外对非洲和亚洲水稻分别分析都发现相同现象，且种质间均有不同程度分离 (图1)。KEGG 富集分析结果显示，非洲和亚洲的野生稻相较于栽培稻都出现丙氨酸、 天冬氨酸和谷氨酸代谢、 甲烷代谢、 碳固定、 柠檬酸循环 (TCA 循环)、 丙酮酸代谢和脂多糖生物合成通路的显著富集 (图2)。单从甲烷代谢方面来看，非洲野生稻根际微生物组中有30个相关基因比栽培稻更丰富，而亚洲野生稻根际微生物组中有181个。

图1 不同根际微生物组KEGG功能谱的主成分分析（PCA）

图2 野生稻与栽培稻根际微生物组的KEGG功能富集

02甲烷代谢相关基因和菌群在野生稻根际富集

基于甲烷代谢基因的 PCA 分析发现，相较于遗传种质之间，同样是野生和栽培种质之间分离更加明显 （图3）。共12个参与甲烷产生(编码 K00402、 K00400、 K00200、 K06914、 K18933、 K00197、 K00194、 K00124、 K00170、 K00024、 K00443 和 K11781)和6个参与甲烷利用(编码 K15633、 K006000、 K13831 和 K00058)的基因，在非洲和亚洲野生稻中显著富集 (图 6 和图 7)。物种注释显示主要属于甲基孢囊菌科 Methylocystaceae (甲烷消费者) 和甲烷微菌科 Methanomicrobia (甲烷生产者)，其中甲烷微菌科相对丰度更高 (21% - 46%)，而甲基孢囊菌科的相对丰度均较低 (1.03% - 2.08%)。

甲烷代谢相关基因与菌群相对丰度的相关性分析结果表明，甲烷微菌科的相对丰度与甲基辅酶M还原酶γ亚基 (K00402)、 5-氨基-6-(D-核糖氨基)尿嘧啶L-酪氨酸4-羟苯基转移酶 (K11781) 和甲酰基甲基呋喃脱氢酶亚基A (K00200)之间存在显著相关性。而Fae (甲醛裂解酶) / Hps (3-己酮糖-6-磷酸合酶) (K13812) 与甲基孢囊菌科的相对丰度显著相关 (图 5)。

图3 不同根际微生物组甲烷代谢相关KOs的主成分分析（PCA）

图5 功能基因水平 (TPM) 与菌群相对丰度的相关性

图6和图7 野生稻和栽培稻根际微生物组中甲烷产生和氧化相关关键酶基因相对丰度的比较

主要结论：

本文研究了相同实验条件下的野生稻和栽培稻，通过将非洲和亚洲野生稻分别与其近源栽培种质进行比较，发现野生稻中甲烷生产和利用的关键酶基因和菌群相对丰度都更高，表明野生稻的根际微生物组在甲烷代谢方面保持了更好的生态平衡。说明水稻驯化对甲烷代谢有很大影响，可以为未来在可持续农业种植过程中减少甲烷排放的水稻育种提供参考。

参考文献：

Tian L, Chang JJ, Shi SH, et al. Comparison of methane metabolism in the rhizomicrobiomes of wild and related cultivated rice accessions reveals a strong impact of crop domestication. Sci Total Environ. 2022; 803: 150131. doi: 10.1016/j.scitotenv.2021.150131

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