干旱胁迫对甘蔗根际微生物的影响 | 微生物专题
发表时间：2021年10月06日
发表期刊：Frontiers in Microbiology（IF 5.64）
题目：干旱胁迫对甘蔗根际微生物的影响
最近“甘蔗男”这一网络词的出现，差点使得甘蔗的风评被害，但其实甘蔗不仅是我们常见的一种水果，还是重要的糖料和能源作物。因为甘蔗对水分的要求较高，所以产量受干旱影响较大，尽管目前有大量研究表明根际微生物可以帮助植物提高对胁迫的适应性，但目前仍然缺乏关于根生物群落对寄主植物适应性的研究。本文作者对广西三个甘蔗栽培品种GT21、GT31和GT42进行了干旱胁迫处理和正常灌溉处理。利用16S rDNA测序技术分析不同处理下甘蔗根际微生物的变化，并结合土壤酶活性、养分含量及甘蔗的生理特性等指标，探讨甘蔗根际微生物对干旱胁迫的影响。
试验设计
作者选择的3 个甘蔗品种为当地广泛栽培的品种：桂塘21（GT21）、桂塘31（GT31）、桂塘42（GT42），选择具有代表性的研究对象对产业的发展及后续的应用具有重要的意义。种植时每个品种20盆（保证一定数量的生物学重复，既可以消除组内差异，保证试验的可靠性，也可以在后续生信分析时保证能有大量的数据支撑，还可以在数据分析时的样本上有一定的选择空间），共60盆。在苗期（80%的甘蔗芽有2‑3片真叶），每个品种随机选择10个花盆进行干旱处理（做为实验组D），其余10个作为对照组（C），在试验中除了各处理组的设置，对照组也是至关重要的。在培养条件上，处理组与对照组应保持单一变量的原则，以保证试验的真实性和可靠性。
主要结果
1、微生物α和β多样性的分析
6组间微生物群落的多样性存在显著差异（图1B），Adonis检验结果类似。
图1 根际微生物的α多样性
(A)α多样性的Chao1指数箱线图。 (B) α‑多样性Shannon指数箱线图。不同的字母在图表示处理之间的显着差异（P < 0.05） ，GT21、GT31、GT42为甘蔗品种，C为正常浇水处理，D为干旱处理
采用Unweighted UniFrac距离和Weighted UniFrac距离来可视化不同处理下根际微生物的分离模式（图2）。在不考虑物种丰度的情况下（Unweighted UniFrac结果），各组间微生物组成的分布相对集中，分离情况不明显(图2A)。根据考虑物种丰度Weighted Unifrac的结果，微生物组成分散，没有重叠区域(图2B)。
Mantel test结果表明，干旱胁迫下根际微生物的β多样性与甘蔗土壤的理化性质和生理状态相关(图2C，D)。在对照组中，β多样性与MDA和Pro水平、叶片水势和AP水平显著相关(图2D)。
图2 Beta多样性分析结果
(A)基于Unweighted UniFrac距离的PCoA结果。（B）基于Weighted UniFrac距离的PCoA结果。(C)基于Unweighted UniFrac距离的Mantel test结果。（D）基于Weighted UniFrac距离的Mantel test结果
2、优势菌群的物种丰度及与环境因子的dbRDA分析
对根际土壤微生物的16S分析表明，不同甘蔗品种的根际微生物组成相似，但在干旱处理下，甘蔗品种间的优势物种的丰度物存在一定的差异(图3A)。
dbRDA（基于距离的冗余分析）结果显示，干旱胁迫和不同品种间根际微生物的组成均存在差异(图3B)。
3、共线性分析结果
利用共现网络分析了三个不同品种在不同处理下OTUs之间的共生关系（图4），结果显示，不同甘蔗品种集中在不同的模块，处理组与对照组的结果也存在一定的差异(图4A)。
同一品种的经过干旱胁迫后核心菌群的物种也发生了改变(图4C)。
4、结构方程模型分析
采用结构方程模型检验受干旱影响的物种、土壤环境及生理指标的关系，探讨土壤和宿主对根际核心菌群的影响方式。结果表明，土壤含水量对土壤理化性质的影响最为直接。其中，AP水平与土壤含水量的相关性最强，在甘蔗植株生理指标中，Fv/Fm值、叶片水势、MDA水平和Pro含量之间存在较高的相关性（图5）。
图5 干旱胁迫下，核心物种与土壤环境和甘蔗生理指标关系的结构方程模型
结论
本文利用甘蔗根系土壤微生物得研究为解决农作物缺水问题提供了新的途径。研究结果表明，甘蔗根系微生物群落结构相对稳定，但干旱胁迫仍导致甘蔗根系微生物物种丰度发生了一定变化。干旱胁迫时，甘蔗通过改变土壤养分和酶活性间接影响了根际微生物群落的组成，根际微生物的变化可以调节甘蔗的酶活性和光合作用，进而影响宿主植物对干旱的适应性。Rhizobiales （根瘤菌）和 Streptomycetales（链霉菌）是甘蔗根际微生物群落在干旱胁迫中发挥重要作用的两个核心物种（均为目层级物种）。
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