Microbiome | 微生物可作为植物所处环境的生物传感器

近日Microbiome杂志上发表了题目为“The microbiome as a biosensor: functional profiles elucidate hidden stress in hosts”的研究论文。

微生物群落对环境因子响应强烈，它们的结构和活性随着环境条件的变化而改变。与植物相关的微生物群落，特别是在宿主表面定殖的微生物群落，可以作为生物传感器来揭示微生物和宿主所经历的环境条件。为了验证此假设，本文研究了一个植物-土壤系统模型，并采用了一种以基因为中心的分析方法。利用两种植物和低质量的废水灌溉来诱导宿主胁迫，进行了综合分析。本研究分析了植物相关微生物群落的遗传潜力（DNA）和基因表达模式（RNA），以及宿主植物的转录谱。

对废水处理的植物的转录分析显示，与淡水灌溉植物相比，根系中与胁迫相关的一般转录物显著富集。然而，宏基因组分析表明废水处理的植物根部相关的微生物群落中，与高盐、高pH值和低氧水平有关的特殊胁迫基因显著富集。微生物转录组分析显示，富集的基因高度表达意味着它们对高pH值和高盐的响应。本文证明了微生物谱分析可以阐明通过宿主转录组无法观察到的应激信号，从而产生了评估宿主生物原位条件的另一种机制。这项研究对微生物群落作为微传感器的概念进行了验证。

图1番茄和生菜转录组分析揭示了植物宿主对废水灌溉的功能响应。

图2 植物宿主类型和灌溉处理对植物根系相关基因组的影响。a 废水灌溉番茄和生菜之间丰度基因的VENN图（DESeq2 FDR p <0.05）。b 番茄或 c 生菜中按灌溉类型划分的差异丰度基因的VENN图，以及 d 两种宿主的组合。e 以DOC、EC和pH值为变量的SEED注释基因的分析（CCA）。f 微生物组成预测。

图3 灌溉处理间438个显著差异的微生物基因的遗传图谱 。a 废水处理的根系基因组中富集或缺失基因（FDR p < 0.01）热图。b 与所有基因组分析中该类基因的总丰度相比，废水处理根系基因组中富集或缺失的基因比例。

图4 废水处理根系的基因组中SEED和KEGG分析。

图5 对pH和氧响应基因的meta分析。

图6 与灌溉处理相关的表达功能。

图7 具有与水质相关生理特征（基因、途径和模块）的假想细菌概念模型。a 废水-或 b 普通水灌溉的根部微生物组的富集特征。白色表示在DNA水平上显著富集的特征(基因组)，灰色表示高度表达(转录组)，绿色表示在相对于另一种处理的显著富集和表达。

由于宿主及其微生物组暴露在同样地环境条件下，因此基因图谱和微生物组的表达分析可以作为一种预测工具，以确定影响宿主的胁迫。确定哪种非生物因子直接影响宿主（并随后降低植物产量）超出了本研究的范围，但本文所建议的方法可以更好地阐明宿主所处的环境条件。环境调查或与宿主相关的微生物分析经常产生相互矛盾或环境依赖的结果，使得这种预测结果不可信。将微生物组作为反应特定环境的一个功能单元来研究，构成了一种非决定性的方法，从而消除了对特定环境条件相关标记物（例如，基因、途径或特定类群）的需要。本研究中采用了实验处理下定义良好的植物宿主-微生物组系统，但这种方法也可用于定义其他宿主系统的微观环境条件，潜在地揭示其他宿主的生理胁迫。

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