揭开镉污染稻田中不同水稻品种的内生细菌群落结构 | 微生物专题

发表时间

2021.11.16

发表期刊

Frontiers in Microbiology（IF=5.6398）

关键词

水稻，内生细菌，群落结构，共现网络，发育阶段，镉污染，植物生长促进（PGP）菌

研究背景

内生细菌在植物适应环境的过程中发挥着潜在重要作用。了解重金属胁迫下内生细菌群落的组成和动态变化可以揭示它们对寄主发育和胁迫耐受性的影响。为此，本研究调查了在镉（Cd）污染稻田中生长的不同水稻品种的根内生细菌群落。

研究对象

水稻根内生菌

研究方法

16S测序

研究设计

根据籽粒中Cd的积累水平将待测水稻品种分为两组：低Cd积累水平的RBQ、728B和NX1B（LA品种），和高Cd积累水平的BB和S95B（HA品种）。大田试验采用随机区组设计，使用前，将地块充分翻耕，分为15个区（200 ×60 cm），每个区之间的间隔为40 cm。一个区有三栏，一个栏有10个穴，每个穴中种两个苗。每个水稻品种有3个重复（区）。移栽后30 d（营养生长期）和60 d（生殖生长期）分别采集水稻根部样本。对每个水稻品种，在每个区按对角线抽样方法抽样5个单株，并混合根。根部样本分为两部分：一部分用于16S rDNA测序，另一部分用于内生细菌分离。
处于营养生长期的5个水稻品种的根样本命名为RBQ1、728B1、NX1B1、BB1和S95B1，处于生殖生长期的根样本命名为RBQ2、728B2、NX1B2、BB2和S95B2。

主要结果

1. 五个品种两个时期的水稻根中Cd的积累测定水稻根样本中的Cd含量，发现在营养生长期，RBQ对Cd的积累量高于其他品种。这在生殖生长期更为明显，此时RBQ的Cd含量明显较高，其次是LA品种（728B和NX1B）和HA品种（BB和S95B）（图1）。结果表明，LA品种比HA品种积累了更多的Cd。
图1 5个水稻品种营养生长期和生殖生长期根中Cd的含量2. 内生细菌群落的多样性和丰富度通过16S测序分析，从水稻根中鉴定出内生菌群共有37个门、78个纲、175个目、329个科以及614个属。在所有5个水稻品种中，优势菌门包括变形杆菌门、厚壁菌门、放线菌门、酸杆菌门、拟杆菌门和螺旋体门。优势菌属包括假单胞菌属、雷尔氏菌属、Burkholderia-Paraburkholderia、慢生根瘤菌属等（图2）。

图2 优势菌属的相对丰度

3. 水稻两个发育阶段内生细菌群落结构的变化PCoA分析表明，营养生长期和生殖生长期的样本明显分为两类，说明发育阶段控制着较大的变异来源（图3）。PERMANOVA证实发育阶段会显著影响细菌群落的组成。

图3 PCoA分析

为显示内生细菌群落在两个发育阶段的组成变化，采用two-sample t-tests比较alpha多样性指数。结果表明，生殖生长期的内生细菌群落的丰富度和多样性明显高于营养生长期。ANOVA分析表明，不同品种间的alpha多样性指数没有统计学差异。进一步比较了两个发育阶段内生细菌优势类群的相对丰度，特别是纲和属水平。

4. 内生细菌群落的共现网络分析

共现细菌网络分析显示，在两个发育阶段有不同的连接模式，生殖生长期的相关性数量比营养生长期大得多（图4）。比较营养和生殖生长期，发现连接最多的节点的分类是不同的。在营养生长期，放线菌占总连接度的17.36%。在生殖生长期，beta变形菌占总连接度的23.89%。根据程度中心性，将最中心的20%归类为关键节点。各发育阶段关键节点的相对丰度变化较大。发现几个高度关联的分类群可能是关键的细菌类群。

图4 营养（A）和生殖（B）期样本的共现网络图

5. 品种相关的内生细菌生物标志物

通过LEfSe分析发现，在营养生长期，只有728B和BB具有不同丰度的分支。但在生殖生长期，所有水稻品种都表现出不同程度的分支（图5A、B）。维恩图显示了一群共享的OTUs和每个品种特异的OTUs（图5C、D）。

图5 LEfSe和Venn图分析

6. Cd污染相关的内生细菌分类群

使用Spearman相关分析表明，45个菌属与Cd含量显著相关。其中，与Cd含量呈正相关的有41个属，如地杆菌属等。余下4个属与Cd含量呈负相关。代表性菌属的丰度与Cd含量之间的线性回归证实了根中独特细菌类群的丰度与Cd的含量相关。

7. 内生细菌群落功能图谱预测

对内生菌的功能图谱预测显示，从营养生长期到生殖生长期，共有42条代谢通路发生了显著变化，包括细菌运动蛋白、丁酸代谢、丙酸代谢、细菌趋化性、脂类生物合成蛋白等（图6）。进一步地，根据CSR理论和Wood等人描述的功能性状的详细标准，对两个发育阶段的C性状，S性状和R性状进行了比较。

图6 内生菌群落基因功能预测

8. 培养的细菌对Cd的耐受性和PGP潜力

从Cd污染的水稻根部分离到43株细菌，隶属于5个菌纲12个菌属。其中芽孢杆菌的种类最多，其次是克雷伯氏菌、类芽孢杆菌和草螺菌。对一些有代表性的菌株进行了Cd耐受性和PGP特性的测试，大多表现出较高的Cd抗性和PGP潜势（图7）。具有这些特性的内生细菌可以作为潜在的生物接种剂来提高作物产量并缓解重金属胁迫。

图7 代表性菌株的系统发育树及其对Cd和植物促生长性状的最低抑菌浓度

主要结论

本研究首次详细描述了Cd胁迫下水稻根内生菌组，并可能为了解内生菌、植物和重金属污染之间的相互作用提供见解。

参考文献

Chu C, et al. Unveiling Endophytic Bacterial Community Structures of Different Rice Cultivars Grown in a Cadmium-Contaminated Paddy Field. Front Microbiol. 2021 Nov 16;12:756327.

相关阅读

点击下方图片进入云平台资料汇总：

所见即所得，绘图高规格联川云平台，让科研更自由