根际和内生微生物群落的相互作用对新疆棉花生长的影响|微生物专题
发表时间：2021.12.06
发表期刊：Frontiers in Microbiology（IF：5.640）
研究对象：根际土壤+根
研究方法及样本数量：16S rRNA基因测序（168个）+ITS测序（168个）
研究背景：棉花是世界范围内一种重要的天然纤维作物。它在中等温度和高光照下生长良好，适合生长在中国新疆等干燥地区。黄萎病是一种感染棉花维管束的土壤传播性疾病。主要病原体为黄萎病菌，可侵染棉花。它具有在土壤中存活时间长和感染过程复杂的特点，难以控制。内生微生物和根际微生物可以促进植物生长，提高植物对外部不利环境条件和病虫害的抗性。根际微生物与寄主植物之间的关系也是非常复杂的。同时，环境因素也能影响植物微生物群落的组成。植物病害的发生与根际微生物的群落结构密切相关。本研究对新疆7个典型生态区棉花根际土壤和根内相关微生物群落的生态位分化进行了评价。研究了根际微生物与内生菌之间的关系，揭示了根际微生物和内生菌的时空动态，阐明了根际微生物和内生菌之间的差异。
本研究主要在天山北坡和南脚的7个地区的棉花种植区随机采集棉花幼苗、芽、花期和絮凝阶段患病和健康植株的样品。每个样本由三种随机选择的植物组成。采集的样本包括根和根际土壤（距离根表面0-3mm）。
1.棉花根际、内生细菌和真菌群落多样性的变化
患病植株的根际土壤和根组织的菌群丰度高于健康植株，但患病植株的根内生真菌丰度低于健康植株（见图1A和1B）。q-PCR结果显示，健康植株和患病植株的内生和根际细菌以及内生和根际真菌的数量具有显著性差异。同时，根际和内生细菌在健康植株和患病植株中未发现共有的OTU，而在真菌中发现有7个共有的OTU。
图1 健康和患病棉花根际和内生菌(A)和真菌(B)的OTUs数量
图2 健康和患病棉花根际(C)和内生细菌（A）、根际(D)和内生真菌（B））数量的变化
图3 不同的生态位和病理状态下共有和独有的OTU
注：BE:患病植株内生菌;JE:患病植株内生菌;BR:患病植株根际菌群;JR:健康植株跟根际菌群。A：细菌；B：真菌
2. 棉花根际和内生微生物群组成的差异
Adonis分析结果证实，根际和内生微生群落确实存在差异（Pr = 0.001, R2 = 1.0000; Pr = 0.001, R2 = 0.9798)。在属水平，不同棉根际土壤和根的优势菌（平均相对丰度>0.1%）分布存在差异，其中假单胞菌（15.54%）和泛氏菌（9.19%），链格孢菌（16.15%）和头孢菌（9.10%）数量最多（见图4AB）。
图4 根际和内生细菌/真菌属水平群落组成
3. 棉花根际和根中的细菌和真菌群落的时空动态
图5 不同采样点和不同生长时期的根际和内生细菌/真菌PCoA分析
注：A：Bray-Curtis；B：weighted-unfrac；A,B：细菌；C,D：真菌；A（阿拉尔）, K（库尔勒）, T（图木舒克）, H（哈密）, S（石河子）, W（乌苏）, J（精河）；M（幼苗期）L（蕾期期）H（开花期）T（吐絮期）
4. 患病和健康棉花植株根际和内生微生物群的网络和系统发育
从细菌网络分析结果可以看到，RB41、H16、硝化螺旋菌、鞘氨醇单胞菌、气单胞菌、溶菌、Erwinia属44个节点与其他细菌属关系密切，所有节点中连接程度最高。从真菌网络分析结果可以看到，链格孢属、头孢属、假孢属、被孢属、毛孢属、假孢属、unclassified_k__Fungi属的两个节点与其他真属亲缘关系密切，在所有节点上的连接度最高。
另外，作者采用指标物种分析来确定与各健康组相关的敏感OTUs，并通过构建共现网络来显示它们在土壤微生物群落中的位置，发现3个与棉花植株健康相关的敏感OTUs被定义为该网络的基石。最详细的分类是假单胞菌、芽孢杆菌和沙雷氏菌，以及链格孢菌、枝孢菌、头孢菌、腺菌、壳菌、芽孢菌、高级菌和梭菌。此外，作者可视化了两个在网络中显示出高交互性的模块，其中最大的模块被视为中心模块。
图6 属水平棉根际和内际微生物群落的相关网络分析
注：左上：细菌相互作用；右上：真菌相互作用；左下：细菌和真菌相互作用；右下：核心微生物群-常见微生物群的相互作用分析
根际细菌和内生细菌的系统发育差异显著，而根际真菌和内生真菌的系统发育差异相似。在细菌中，蛋白菌和放线菌属为优势属，在内生真菌中，链格孢属为优势属，在根际真菌中，Pseudogymnoascus、Mortierella、Pseudeurotium和 Cephalotrichum为优势属。
图7 丰度top50的细菌（A）和真菌（B）的系统发育树
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