ISME/菜豆抗土传病菌育种对根际微生物组活性的影响

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题目：Breeding for soil-borne pathogen resistance impacts active rhizosphere microbiome of common bean

菜豆抗土传病菌育种对根际微生物组活性的影响

期刊：ISME （2018）

影响因子：9.4

通讯作者：Lucas William Mendes

摘要：

       在过去的一个世纪里，植物育种计划大大改善了植物的生长和健康，但还没有考虑到对植物微生物群的潜在影响。在这里，我们进行了转录组分析，以确定普通大豆对根病原镰刀菌（Fusarium oxysporum，Fox）的抗性育种是否以及如何影响根细菌群落中的基因表达。我们的数据显示，抗性品种的微生物组呈现出与

营养代谢、运动、趋化性以及抗真菌化合物吩嗪和大肠杆菌素的生物合成相关基因的显著高表达。网络分析进一步揭示了抗性品种的一个更复杂的群落，表明类芽孢杆菌属是根际微生物群中的一个重点属。我们认为，普通菜豆的抗性育种无意中共同选择了增强根际微生物网络结构和丰富特定有益细菌属的植物性状，这些有益细菌属表达了植物抗根病原菌感染的抗真菌特性。

背景与意义

       在上篇文章中（ISME/普通菜豆抗性育种对根际微生物组结构与功能的影响），利用16s rRNA和宏基因组测序，我们发现在抗性大豆品种的根际中，有益的细菌群，如假单胞菌和芽孢杆菌，以及参与吩嗪和鼠李糖脂生物合成的基因更为丰富。这些细菌属是否活跃，以及富集的基因是否真的在抗狐品种的根际表达尚不清楚。为了进一步研究这些基于DNA的描述分析的生物学相关性，我们提出了一种基于转录组分析（RNA）的方法来测试这些和其他假定的细菌基因是否在抗性品种的根际与易感品种的根际差异表达。在温室试验中，两个品种在相同的控制条件下生长，并用转录组分析评估了两个普通大豆根际的活性微生物类群和功能，比较了它们对土传病原菌的抗性水平。

实验设计：

       在ADE土壤中种植两个品种豆（最具抗性（IAC-Milenio）和最易感（IAC-Alvorada））初花期收集根际土转录组分析（土壤与栽培品种介绍详见上篇学习内容ISME/普通菜豆抗性育种对根际微生物组结构与功能的影响）

实验主要结果与讨论

图1注：两个普通豆品种根际微生物群落结构与组成及其对尖孢镰刀菌抗性水平的比较。a对分类（属级）和环境特征进行的冗余分析。箭头表示环境参数和群落结构之间的相关性。通过Monte Carlo置换检验评估的显著相关性（P<0.05）显示出来；b基于功能（SEED数据库）的主成分分析（PCA）。c显示门和科的差异丰度的热图和功能分类d的热图。颜色键将热图颜色与标准分数（z-分数）相关，与行平均值的偏差，以高于或低于平均值的标准偏差为单位。不同小写字母表示韦尔奇t检验和Benjamini-Hochberg校正的处理方法之间的显著差异（P<0.05）图B（在线彩色图）中的线表示显著的聚类（ANOSIM，P<0.05）

     结果表明，两个品种根际微生物活性均较高，其pH值（F=3.81，P<0.05）、镁（F=6.30，P<0.005）和铜（F=6.23，P<0.005）与群落结构有关（图1a）。尽管在分类中从转录组数据获得的分辨率没有显示出两个品种之间的不同群落，但功能上显示了样本的明确品种特异性聚类（图1b）。对于这两个品种，根际表现出一些被称为植物生长促进细菌的分类群的高活性，例如慢生根瘤菌科、根瘤菌科、红螺菌科（图1c）。通过对不同豆品种的比较，发现在抗性根际，类芽孢杆菌所属分类群的活性较高。这个细菌家族的几个成员以生产对植物病原真菌有抑制作用的抗生素而闻名。

图2注：抗性和感病普通大豆根际微生物群中微生物属序列的差异丰度（基于转录组数据集）。根据NCBI-NR数据库，这些序列属于分类群。比较包括所有的重复和取样。采用Benjamini-Hochberg-FDR法计算校正P值（P<0.05）。

      在该科中，在抗性品种的根际中大量发现了类芽孢杆菌（图2）。该属广泛分布于环境中，被称为土壤病原菌的拮抗剂，包括镰刀菌。将这些结果与之前基于DNA的分析结果进行比较，我们发现在两项研究中检测到的所有细菌科和功能的模式/动力学相同（图3a）。有趣的是，我们在这两个数据集（DNA和RNA）中检测到，与易感品种相比，抗性品种中有更丰富的属于Bacillales（芽孢杆菌）目和geodermatophilace（地嗜皮菌科）科的细菌群。芽孢杆菌的种类是已知的生产抗菌化合物，如细菌素，非核糖体合成肽（NRPs），聚酮（PKs）和脂肽（LPs）。地嗜皮菌科在一些生物地球化学过程中起着重要作用，其特征是促进植物生长的根细菌。我们的数据还显示，与氮、磷、铁、核苷酸糖代谢和转录调控相关的功能在抗性菜豆中显著表达。与营养代谢相关的基因更丰富可以促进植物生长和健康，更健康的植物更容易抵御病原体入侵。此外，抗性品种表现出更多的细胞运动和趋化基因的表达，这些基因的功能对于根际微生物群的组装非常重要，因为它们推动微生物种群向可用资源转移。这种移动能力在根际也提供了竞争优势，从而阻止了病原菌的入侵。

图3注：研究的宏转录组数据与Mendes等人基于DNA的数据之间的分类a和功能b比较。不同的小写字母表示DNA数据中的显著差异（P<0.05），而大写字母表示RNA数据中的差异c。两个普通大豆品种根际微生物群落的共发生网络分析及对尖孢镰刀菌抗性水平的比较。每个节点代表一个属级的微生物系统类型（细菌或古细菌）。一个连接代表SparCC相关性>0.7（正相关蓝边）或<-0.7（负相关红边）且具有统计学意义（P<0.01）。每个节点的大小与连接数（度）成比例。每个节点都在门级别标记，但在类级别显示的变形菌门除外。Rs=抗性品种；Sc=易感品种（在线彩色图）

     进一步的研究表明，在抗性根际微生物群中，与吩嗪和大肠杆菌素V生物合成有关的基因表达较高（图1d）。吩嗪类抗生素对几种作物的尖孢镰刀菌有很强的抑制作用，对土壤枯萎病有一定的抑制作用。大肠杆菌素V（colV）是一种分泌肽抗生素，能够杀死细菌细胞，从而减少对营养素的竞争。在最近的一项研究中，一株肠杆菌产生的colV与抑制龙爪稷枯萎病有关。有趣的是，根据宏基因组数据，参与这两种‘抗镰刀菌’化合物生物合成的基因在抗性菜豆的根际中也发现了更多（图3b）。综上所述，我们的结果表明，抗性品种的根际富含有益的类群和有助于植物抵御病原体的功能特性。基于活跃群落的共生网络分析结果进一步支持了这一假设，该结果表明，基于高相关数、高模块性、小直径和低平均路径长度，抗性品种的网络更为复杂（图3c）。由于物种间相互作用的数量增加和对生态位空间的竞争加剧，人们提出了一个更复杂的网络来更好地抵抗病原体入侵。为了感染根组织，真菌必须与根际微生物群的成员竞争营养和微生物群。利用网络拓扑的度量，我们还确定了类芽孢杆菌为抗性共生网络中的关键类群，具有高度的中间性和相关性，可以解释为群落中的关键物种。如上所述，该菌属因其抗镰刀菌的活性而广为人知。病原体侵略者可能设法取代关键类群并破坏网络结构。例如，有研究表明，F.oxysporum产生镰刀菌酸，镰刀菌酸下调假单胞菌中抗生素化合物DAPG的产生，而DAPG是其根际拮抗活性的关键因素。虽然我们已经确定了抗性品种网络中的一个关键类群，但是微生物组依旧十分复杂和动态。在其他细菌种类中，也发现了一些具有抑制作用的微生物，如变形菌和厚壁菌。这些和其他已鉴定的细菌类群的假定有益作用将是未来研究的主题。

结论

         根据我们的研究结果，我们表明在普通菜豆抗病育种中选择一个特定的活性微生物群落，除了植物本身的抗病特性外，它还表现出有益的微生物特性的高表达，可以补充抗病性。我们的研究强调了理解根际微生物群组装过程的重要性，在根际微生物群和与病原抑制相关的性状的鉴定可以帮助植物育种的未来发展，以选择能够丰富和激活有益微生物群和基因的植物性状保护植物免受根病原菌的侵害。

总结

      本文通过代谢组对微生物特性的基因表达进行了研究，表明菜豆的抗性育种无意中共同选择了增强根际微生物网络结构和丰富特定有益细菌属的植物性状，这些有益细菌属表达了植物抗根病原菌感染的抗真菌特性。这篇文章是前面学习内容的进一步分析与探究，目前转录组也在根际生态领域应用开来，但由于价格较为昂贵，一直不是最佳选择。16srRNA与宏基因组更多的是预测发生了什么，转录组是表明在这个途径中到底发生了什么，未来在不断的技术更新中，代谢组价格可能会变的更加便宜，到那时将会大大促进我们深入探究根际微生态领域机理。

（总结部分仅仅是个人的一些不成熟或者可能不正确的想法，可自行忽略）

微信号 : lida179438448

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