Nature：拟南芥微生物组功能研究0概述

背景介绍

Bai, Y., et al. (2015). “Functional overlap of the Arabidopsis leaf and root microbiota.” Nature 528(7582): 364-369.

本文是2015末发表在Nature的Article文章，第一作者为白洋，主要负责拟南芥根相关菌分离、培养、测序和人工重组实验，现中科院遗传发育所研究员；共一的第四作者Ruben Garrido-Oter，主要负责细菌鉴定、基因组和扩增子分析，现马普植物育种所Group Leader。通讯作者分别为德国马普植物育种所的Paul Schulze-Lefert教授和瑞士苏黎士微生物所的Julia A. Vorholt教授。

关于Paul教授，在我之前关于他更早的一篇文章解读有详细说明：
Nature: 植物微生物组开山—拟南芥根微生物组的结构和组成

白洋研究组主页：http://bailab.genetics.ac.cn/  公众号:植物微生物组

Ruben Garrido-Oter简介：https://www.mpipz.mpg.de/garrido

本文标题直译是“拟南芥根和叶微生物组功能重叠”，但工作本身是拟南芥微生物组的功能研究。由于内容极多，本文只对正文结果进行简介，接下来还会分三篇文章，从细菌分离培养鉴定、细菌基因组测序和分析、人工重组微生物群落这三个主要方面，对方法和结果进行详细说明。

摘要

健康植物的根和叶存在一定物种组成结构的微生物群落，它们参与植物的健康和生长。我们建立了拟南芥叶和根来源的微生物群落纯培养资源库，它们大部分可以被不依赖培养的16S扩增子测序稳定检测到。我们发现在根和叶的微生物组中分类学上大部分为相同的。进一步基于400多个纯培养单菌的基因组分析表明，根和叶编码的基因功能绝大部分也是相同的，只有极少的显著差异。采用人工重组群落和无菌培养拟南芥体系，在宿主的不同器官重新形成类似自然的微生物群落，但也可以在根或叶异位定殖。基因组信息和重定殖实验表明，不同器官来源的菌更倾向于定殖之前分离的器官或生态位。

主要结果

图1. 根叶中扩增和培养的菌分类学上有重叠。
a,b, 展示拟南芥根际(206个单菌)和叶际(224个单菌)的系统发生树和组间重叠情况；
a, 比较根际与叶际、还三篇发表研究中共有情况；图中菌相对丰度>1‰标记为深橙色，< 1‰标记为浅橙色；b, 叶际细菌与根际和发表文章的比较，图中菌相对丰度>1‰标记为深绿色，< 1‰标记为浅绿色。基于Sanger测序的部分rDNA构建系统发生树。

图2. 分析测序单菌基因组的功能多样性
a, PCoA描述测序基因的KEGG功能距离，每个点代表一个基因组，颜色标准为菌的来源，形状是其分类信息；图中数字为某一细菌家族的成员数。
b, 采用家族间两两距离展示细菌家族内的功能多样性；更高的距离表示其科内功能多样性丰富。只有科内至少5个以上成员才展示。柱状图展示所有基因组科内多样性分布密度图；箱线图展示每个科内每个基因组的多样性距离分布；

图3. 分析测序单菌基因组的功能
a, 科水平细菌的进化树。注释的信息分别为簇ID，分类学科名称，和叶、根、土中的分离菌数量；势力展示基因功能分类所占的百分比。b, 功能富集分析叶、根和土中注释的蛋白。图中点和线代表平均丰度和标准变异。P values采用无参的Mann-Whitney test，并用Bonferroni approach检验。c, 分析同科菌的泛基因组，分为三类，全体共有分为core，部分有为shell，某菌特有为singletons

图4. 人工重组微生物组定殖无菌拟南芥。
a, b, 基于Bray-Curtis距离进行主坐标轴分析人工重组菌定殖前后的分布样式；a采用土壤中添加重组菌，有60个样品；b中采用叶片喷菌，有42个样品。每个条件有6个重复的重组菌，每次有三个独立的接种。L代表叶分离的菌，RS代表根和土壤分离的菌。ER代表用等量菌混合，UR代表非等量菌混合。

图5. 人工重组微生物组形成器官特异的微生物群落。
a, 象形图展示不同接种方法的人工重组群落实验方法。b,c 基于Bray-Curtis距离计算不同接种方法材料定殖菌群的主坐标轴分析。图中实验设计有五种：分别为叶菌+clay，叶菌喷，根土菌+clay，根土叶+clay，根圭叶+clay并15天根菌喷；接种方法有三种，混入Clay，喷，和clay和喷。
可以看出叶片各容易接受叶来源的菌定殖并形成稳定的菌群。根更容易形成根起源菌形成的定殖。

写在后面

上面5个张图是本研究的主要结果，但理解起来跳跃还是比较大。文章的在线版PDF的扩展数据(Extended Data)部分还有10个图，附加信息(SUPPLEMENTARY INFORMATION)还是9个图，都是非常重要的研究方法和结果，只是限于Nature Article的版本(正文最多6个图，总长度小于6页)，无法详细说明。

接下来还会分三篇文章，从细菌分离培养鉴定、细菌基因组测序和分析、人工重组微生物群落和无菌植物体系这三个主要方面，对方法和结果进行详细说明。每一部分单独成文，其工作量也远超一般10分左右的文章。但作为读者，分成三部分来详细讲，才能让同行更容易理解，并学到有用的实验技术和科研思路。

本文同期还有Beattie, Gwyn A.教授的专提评述，评价为“铺平了微生物组学从描述性研究走向功能性研究的道路”。详细报导见之前文章 — 植物微生物组。

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