Nature Microbiology | 宿主匹配改善根部微生物组的生长！

植物与众多的土壤微生物相互作用，从病原体到相互作用的物种和菌株（Nature | 年度重磅合集：植物微生物组！Science重磅 | 北卡教堂山分校和诺丁汉大学研究揭示微生物改变植物根系通透性！Nature | 重磅！Jeff Dangl团队揭示微生物组中的单一细菌属维持根的生长；Nature Reviews Microbiology | 植物-微生物互作：从群落组装到植物健康）。不同的植物物种有不同的根部微生物群，但根部相关微生物群的组成机制在很大程度上仍然是神秘的。有几个过程可能有助于观察到的群落结构的变化，包括局部适应、细菌与细菌的相互作用或中性过程。

在2021年8月期的国际权威学术期刊Nature Microbiology上，发表了德国马克斯-普朗克植物育种研究所（Display your talent！走进德国马克斯普朗克植物育种研究所！）Ruben Garrido-Oter和Paul Schulze-Lefert教授（近5年37篇高水平文章！Paul Schulze-Lefert院士团队在先天免疫和植物菌群领域取得重大进展！）团队和丹麦奥胡斯大学Simona Radutoiu（Science | 重磅研究揭示植物如何区分有益和有害微生物！）团队合作的最新相关研究成果，题为Host preference and invasiveness of commensal bacteria in the Lotus and Arabidopsis root microbiota的研究论文（Nature Microbiology | 马普育种所揭示植物根系微生物群落中共生细菌的宿主偏好性！）。该团队的研究人员整理了天然田间土壤中发现的细菌群落的16SrDNA序列索引库，并在模式生物拟南芥和百脉根的菌株水平上操纵了16-21个成员的合成接种物。他们发现，微生物群落在定殖于它们所来自的宿主根部时，始终比其他宿主的根部更有效。同时，加拿大多伦多大学A. M. O’Brien（Science | 重磅！研究揭示微生物选择推动与宿主的共生！）团队为该研究撰写了题为Host match improves root microbiome growth的点评文章。

研究人员观察到在田间土壤中与模式植物宿主拟南芥和百脉根发现的根系相关群落之间的差异（图1a）。为了了解这些差异的根源，他们通过培养来自百脉根根部的294个分离株，创建了一个与百脉根相关的细菌菌株子集的合成群落（Lj-Sphere；拟南芥合成群落At-Sphere）。迄今为止，大多数工作都考虑了微生物的个体或整体未改变的群落。研究人员通过在菌种水平上操纵单个群落（SynComms），并通过重新测序评估宿主上的微生物组的组装，推动了微生物组的研究，他们在12个实验中重复了10个独特的SynComms。

在测试的两种植物物种上，不同的微生物群集合是高度可复制的。当共同接种到单个宿主上时，每个SynComm（At-Sphere或Lj-Sphere）构成了组合群体的一部分。将每个SynComm与它自己在两个宿主上进行比较，这个比例在它们所来自的宿主根上比在另一个宿主的根上高（图1b）。这种模式并不取决于SynComm中的特定菌株组合，但确实取决于细菌和宿主根系之间的活体、原位相互作用，因为这种模式在土壤、根际、根系渗出物和死亡宿主根系上都不存在（图1d）。即使改变了两个群落的到达顺序，观察到的模式仍然存在。当宿主与群落的起源相匹配时，晚到的群落的优先效应就会减少（图1e）。

图1：植物根部微生物组的差异性组装

研究人员推断，不同的组装显然需要细菌与活的宿主根部相互作用。然而，微生物之间的相互作用也可能有助于观察到的模式。同一环境中的细菌可能在争夺相同的资源，可能相互依赖而生存，也可能通过宿主-细菌的反馈而相互作用，这可能增加或减少宿主根部的其他细菌物种的生态位空间。差异组装也明显是由遗传差异驱动的，这些差异在宿主物种之间或在田间土壤中在百脉根和拟南芥上成功的生态过滤菌株之间，或在田间百脉根和拟南芥上生长的菌株之间积累的局部进化差异。下一步是确定差异性微生物组的组装是中性进化还是处于选择之下。

对该研究的结果，一个可能的解释是微生物组成员对宿主或宿主对微生物组的快速适应。假设相对丰度是一个很好的适应性指标，发现At-Sphere菌株在拟南芥宿主上的丰度总是比在百脉根宿主上的丰度高，反之亦然，这符合局部适应的一般标准：相对于不匹配的宿主和微生物配对提供更大的适应性益处。

然而，他们的结果并不完全符合对本地适应的其他预期。首先，在接种了来自At-Sphere和Lj-Sphere的混合SynComm的任一宿主物种的根部内，源自焦点宿主的微生物有时才会优于从另一宿主收集的微生物：有时Lj-Sphere菌株在两个宿主的群落中贡献最大，有时At-Sphere菌株贡献最大，有时相对丰度在各宿主之间翻转。即使在密切相关的菌株之间，细菌的生长速度也会有很大的不同，这意味着每个人工组装的At-Sphere和Lj-Sphere SynComm的平均基础生长速度可能会因为采样而随机不同。第二，任何与选择有关的解释都表明，应该对微生物或植物有一些益处。然而，当群落匹配时，微生物密度并没有完全增加，而且匹配的群落或单个微生物没有给拟南芥或百脉根提供相对的好处。

差异也可能在植物和微生物中分别演化，原因与它们的相互作用无关，或者因为这些变化不影响适应性。因此，这些"中性"差异可能会影响到哪些微生物聚集在某一特定植物上。寻找因果位点周围的种群遗传特征的方法显示了有效区分具有联合遗传基础性状的中性和选择性进化历史的前景，例如相互作用的存在或强度的性状。研究人员在同一属的植物物种上也显示了类似但不完全相同的组装模式。可能是植物和微生物之间积累的差异允许不同的组装，实际上是相当古老的，在物种的规模而不是适应。在这种情况下，用于检测共同进化的系统发育方法有一定的前景，这首先需要确定共生控制的基因或性状。

研究人员在鉴定差异化组装的基因方面也取得了进展：植物免疫系统中的单基因敲除突变体并没有消除观察到的模式（图1c），然而用At-Sphere与Lj-Sphere群落生长的植物在其他免疫基因的表达上表现出差异。这意味着对该系统进行选择测试可能是可行的。他们的研究结果适用于许多类型的宿主-微生物相互作用，并与许多科学研究领域相关，包括从基础生物学到农业和医学。归根结底，为人类利益而操纵微生物组的应用取决于对微生物组的不同组合的理解。

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