经典+国人成果10篇：植物和土壤微生物组 | 热心肠日报

今天是第1525期日报。

Nature：拟南芥根系微生物组的结构

Nature[IF:42.778]

① 植物根系是多细胞真核生物与土壤接触的界面，而土壤是地球上最富集微生物的生态系统之一；② 拟南芥根系在不同土壤且相同条件下倾向于定殖变形菌门、拟杆菌门和放线菌门；③ 土壤类型确定了根系定殖的细菌群体，基因型也对细菌群体有一定程度的影响；④ 鉴定的土壤类型特异的细菌和根系定殖的细菌结果，支持根系内生菌来自土壤的结论；⑤ 细胞壁样式的死细胞结构也可以定殖拟南芥根系富集40%的菌，且主要来自Beta变形菌门。

Revealing structure and assembly cues for Arabidopsis root-inhabiting bacterial microbiota
2012-08-01, doi: 10.1038/nature11336

【主编评语】这篇文章来自德国马普 Paul Schulze-Lefert 教授 研究组2012年发表的Nature，Paul是植物免疫和微生物组方面的大牛，每年都有CNS产出。虽然文章己发表了8年，作为植物微生物组的开山之作，引用过千次。而且即使是多年前的文章，你会发现即使现在的你，重现一篇这样的研究，也是非常有难度的，经典就是经典。（@刘永鑫-中科院-宏基因组）

Nature子刊：微生物如何适应植物的？

Nature Genetics[IF:27.603]

① 植物与众多微生物关系紧密,与植物紧密联系的细菌存在能够适应植物环境的基因;② 与植物无关的微生物相比，植物紧密联系的细菌基因组中编码更多的碳代谢功能，和更少的可移动元件;③ 与植物相关的蛋白结构域可能是植物结构的模仿者(欺骗宿主的免疫系统)，其中一些同样存在于与植物相关的真菌和卵菌;④ 本项工作拓展植物与微生物互作在基因组层面的理解，为微生物组应用于可持续农业提供基础。

Genomic features of bacterial adaptation to plants
2017-12-18, doi: 10.1038/s41588-017-0012-9

【主编评语】是什么使病原和共生菌都能与真核宿主保持密切联系呢? Nature Genetics于发表了美国北卡教堂山的Jeffery L. Dangl团队领衔，美国能源部JGI研究所的Tanja Woyke和Susannah G. Tringe共同通讯的文章"Genomic features of bacterial adaptation to plants"，揭示了微生物是如何在与植物的共生、竞争、致病中与植物基因组共进化的历史。同期还配发了Ryan A. Melnyk和Cara H. Haney两位大佬的news & views对文章的导读和重要性评价。重镑成果，值得细读。（@刘永鑫-中科院-宏基因组）

华中农大：鉴定植物免疫攻击的病原菌蛋白

Nature Plants[IF:13.256]

① 细菌致病因子的表达和植物免疫成分的变化形成了植物与微生物相互作用过程中的复杂关系；② 受水杨酸（SA）调控的植物免疫参与了对细菌致病相关mRNA和蛋白质的抑制过程；③ SA介导的植物免疫对细菌基因和蛋白质表达的抑制具有高度的一致性；④ SA介导的植物免疫能够特异地抑制介导病原菌毒性蛋白进入宿主体内的三型分泌系统组分蛋白的累积；⑤ 此研究对分析植物与病原细菌互作的过程中，细菌遗传信息如何转化为功能蛋白提供了证据。

Multidimensional gene regulatory landscape of a bacterial pathogen in plants
06-15, doi: 10.1038/s41477-020-0690-7

【主编评语】植物学权威期刊Nature Plant发表了华中农业大学教授、马普植物分子育种研究所独立PI Kenichi Tsuda团队在植物与病原菌互作领域的研究成果。研究人员利用植物体内原位细菌转录组及蛋白质组学技术，建立了病原细菌基因调控网络，报道了被寄主免疫系统攻击的病原细菌主要调控途径，并发现了植物免疫系统能够靶标病原菌的三型分泌系统元件，进而抑制病原细菌生长。（@刘永鑫-中科院-宏基因组）

南京农大：植物健康否？可以让土壤微生物群落记录

ISME Journal[IF:9.18]

① 土传病害影响农业生产许久，并在全世界范围内对农业生产造成了巨大的影响。② 镰刀菌枯萎病作为土传病害的典型代表，在不同作物，不同土壤中均可诱发病症；③ 本文以镰刀菌枯萎病为主题，通过收集全世界枯萎病相关研究的土壤微生物测序数据，通过生物信息手段整合数据，多种机器学习训练和分类数据；④ 试图揭示世界范围内的镰刀菌枯萎病微生物群落特征。为后基因组学时代测序数据整合提供参考。

Predicting disease occurrence with high accuracy based on soil macroecological patterns of Fusarium wilt
07-17, doi: 10.1038/s41396-020-0720-5

【主编评语】后基因组学时代，以NCBI为首的基因数据库中储存了大量的微生物群落测序数据，这些数据的再利用已经成为摆在当今科研人员桌面的一个有意思的课题。南京农大沈其荣与团队发表的这项研究，以镰刀菌枯萎病为主题，寻找相关微生物群落测序数据，试图通过在数据库中寻找同一主题的二代扩增子数据，整合并寻找在全球范围内的镰刀菌枯萎病相关的微生物群落特征。（@刘永鑫-中科院-宏基因组）

国内团队：粘细菌捕食调节土壤微生物群落，控制黄瓜枯萎病

Microbiome[IF:11.607]

① 粘细菌是土壤生态系统中的微捕食者，具有协同移动和觅食的能力；② 粘细菌分泌大量胞外基质，可促进生物膜形成和根部定殖；③ 在根际分泌物的驱动下，粘细菌EGB对麦芽糖和麦芽糖醇具有较强的趋化作用，使其向根部定向迁移并定殖，并在迁移过程中通过捕食作用调控土壤微生物群落结构；④ 粘细菌处理组土壤中捕食性微生物的相对丰度显著高于其它处理组，而尖孢镰刀菌的数量明显下降，从而抑制病害的发生。

A predatory myxobacterium controls cucumber Fusarium wilt by regulating the soil microbial community
04-06, doi: 10.1186/s40168-020-00824-x

【主编评语】中国农业科学院张瑞福团队与南京农业大学崔中利团队合作发表的这项研究，揭示了粘细菌在土壤中向植物根部迁移的时空分布规律，提出并验证了粘细菌的捕食行为驱动了土壤中作物有益微生物群落结构稳定，从而降低病害发生的研究假设。本研究首次证明了粘细菌与植物互作过程中粘细菌对根际分泌物的响应作用，解析了粘细菌捕食行为的生态学功能，为植物病原菌的生物防控提供了新的思路。该成果对于了解捕食性微生物-植物-土壤微生物互作关系具有重要的指导意义。（@刘永鑫-中科院-宏基因组）

北京大学：环境过滤驱动农田生态系统土壤古菌独特的空间分布

Microbiome[IF:11.607]

① 环境过滤对于农田土壤古菌群落生物地理分布起到至关重要的作用；② 广古菌门在水稻田中丰度较高，而奇古菌门在玉米地土壤中占优势；③ 广古菌门的相对丰度随着氨态氮的增加显著增加，而奇古菌门则呈现相反的趋势；④ 优势古菌类群在旱地和湿地生境中表现出明显不同的空间分布和生态位分化，且这分别与土壤pH和年均温有关；⑤ 本研究建立了一个大陆尺度土壤古菌地图集，为预测农业生态系统土壤古菌的空间分布和响应环境变化提供依据。

Environmental filtering drives distinct continental atlases of soil archaea between dryland and wetland agricultural ecosystems
2019-02-01, doi: 10.1186/s40168-019-0630-9

【主编评语】对于陆地古菌生态的研究主要集中于自然生态系统，而农田是典型的人类管理的陆地生态系统，由于长期的耕作和施肥，农业生态系统和自然生态系统之间的土壤理化性质和生态系统过程有很大不同，进而影响其微生物群落构建。目前，对于水田和旱地农田土壤古菌群落生态多样性，以及优势古菌的空间分布模式（atlas）还尚不明确。北京大学陆雅海团队的这项研究，根据不同生境和环境偏好性，提供了详细的玉米和水稻土壤古细菌群落大陆尺度多样性模式和空间分布模式，为预测农业生态系统土壤古菌的空间分布和响应环境变化提供依据。（@刘永鑫-中科院-宏基因组）

西北农林：退耕还林期间，土壤菌群的变化和对养分循环的贡献

Microbiome[IF:11.607]

① 林地中土壤细菌、古菌和真菌的alpha多样性指数比耕地中高；② 在浅层土壤中，细菌和真菌的多样性随深度的增加逐渐降低，而古菌多样性则逐渐增加；③ 退耕还林过程中，细菌群落相似度的垂直距离衰减速率逐渐降低，而古菌和真菌逐渐增加；④ 细菌和古菌beta多样性是预测土壤多养分循环指数的最重要变量；⑤ 古菌和细菌群落多样性分别对浅层和深层土壤养分循环发挥重要作用，其中不同微生物类群参与土壤特定养分的循环。

Soil microbiomes with distinct assemblies through vertical soil profiles drive the cycling of multiple nutrients in reforested ecosystems
2018-08-21, doi: 10.1186/s40168-018-0526-0

【主编评语】退耕还林是目前最广泛使用的生态恢复策略，但是，在退耕还林过程中，土壤表层及深层微生物的装配模式及其对土壤养分循环的贡献还尚不明确。西北农林科技大学韦革宏、陈卫民与团队，以退耕还林10年、20年、30年的刺槐林为研究对象，采集了不同年限刺槐树干不同水平距离（30、60、90 cm）和不同深度（0、20、40、60、80、100、150、200、250、300 cm）的土壤样本，通过高通量测序的方法，分析土壤细菌、古菌和真菌群落组装、结构以及养分循环相关土壤因子。该研究提供了在单棵树的微尺度下土壤微生物群落垂直和水平空间变化的新视角，系统地揭示了在退耕还林过程中，土壤细菌、古菌和真菌作为土壤深层养分循环的主要参与者，形成了不同的响应模式。（@刘永鑫-中科院-宏基因组）

南土所：农业土壤核心菌群可提升土壤生态功能

Environment International[IF:7.577]

① 我们使用真菌和细菌类群建立了相关性网络；② 核心节点在生态网络的结构中至关重要，可以为其他类群创造生态位，且与丰富的功能基因高度正相关；③ 施用有机肥或石灰调节pH可能通过增加核心和连接结点的丰度，降低地方和周边结点的丰度来改善土壤功能；④ 结构方程模型的结果强调了核心结点对功能基因的积极影响，在生态网络中扮演不同角色的类群在不同的环境梯度上对功能基因的丰度有不同的影响。

Abundance of kinless hubs within soil microbial networks are associated with high functional potential in agricultural ecosystems
06-25, doi: 10.1016/j.envint.2020.105869

【主编评语】理论上，一个生态网络内高度相连的类群（核心节点，kinless hubs）比关联较少的类群（peripherals）能够支持更高水平的生态系统功能。然而，核心节点在调节土壤微生物群落功能潜力中的作用在很大程度上尚未得到探索与研究。中国科学院南京土壤研究所褚海燕与团队的这项研究，通过对具有重要生态功能与经济价值的农业生态系统（小麦和玉米轮作）的华北平原243个土壤样本进行大规模调查，建立了土壤真菌和细菌类群的关联网络，结果表明，在微生物网络中被归类为核心节点的土壤微生物类群的相对丰度与土壤功能潜力高度相关，这对于在大空间尺度上理解和管理（通过操纵微生物关键物种）农业生态系统具有重要意义。（@刘永鑫-中科院-宏基因组）

南土所：大空间尺度下，空间比季节对土壤菌群的影响大

mSystems[IF:6.633]

① 麦田土壤细菌和真菌群落的α和β多样性在冬天和夏天呈现出显著差异；② 空间距离对土壤细菌和真菌群落的α和β多样性的影响远大于季节的影响；③ 环境变量影响麦田土壤微生物群落的时空分异，快速变化的环境变量如土壤含水量、可溶性有机氮、月均温、月均降水量是驱动麦田土壤微生物季节变化的主要因素；④ 利用随机森林模型来判断夏季和冬季的指示微生物，发现这些微生物的相对丰度与快速变化的环境变量显著相关。

Space is more important than season when shaping soil microbial communities at large spatial scale
05-12, doi: 10.1128/mSystems.00783-19

【主编评语】土壤微生物的群落结构会受到时间和空间的共同影响。然而，鲜少有大尺度范围的研究在相同的采样点多时间采样的。中国科学院南京土壤研究所褚海燕与团队的研究中，作者通过对华北平原小麦主产区约878km大尺度范围内土壤细菌群落和真菌群落的时空变异进行研究，发现空间距离对微生物群落结构影响远大于季节变化，且土壤微生物群落的季节变异主要是通过影响快速变化的环境变量来驱动的。由于微生物的季节变异能够被快速变化的环境变量所解释，因此，研究者推测大尺度范围内微生物的空间分布规律可以通过单次采集的数据集获取。（@刘永鑫-中科院-宏基因组）

南土所：不同气候条件下，土壤稀有与丰富微生物类群的分化策略

Environmental Microbiology[IF:4.933]

① 气候变化显著地改变了土壤微生物群落的组成和动态并可以导致稀有和丰富群落的连续演替；② 在变化的气候条件下，稀有微生物群落更加稳定，时间动态变化较小，多样性的稳定性和持续性较高；③ 稀有类群中检测到的氮循环基因多于丰富类群，包括amoA、napA、nifH、nirK、nirS、norB和nrfA；④ 在暖化气候条件下，降雨量的变化是直接和负面影响稀有和丰富类群微生物多样性的主要因素；⑤ 在气候变化条件下，稀有类群可能是玉米产量的潜在贡献者。

Differentiation strategies of soil rare and abundant microbial taxa in response to changing climatic regimes
02-17, doi: 10.1111/1462-2920.14945

【主编评语】不同的气候条件如何改变稀有微生物生物圈的稳定性和功能我们仍不清楚。为了模拟气候变化，中科院南京土壤研究所的梁玉婷、孙波与团队，在纬度梯度上相互移栽农田土壤（换土实验），并在随后的6年（2005年至2011年）收获玉米后每年对土壤进行采样并对微生物16S RNA基因进行扩增子测序，研究表明，在分类学和功能多样性方面，稀有生物圈有可能增加功能冗余，增强土壤群落抵御环境干扰的能力。随着全球气候的不断变化，探索稀有类群的演替过程和功能变化，对于阐明微生物群落介导的生态系统稳定性和多功能性具有重要意义。（@刘永鑫-中科院-宏基因组）

感谢本期日报的创作者：刘永鑫-中科院-宏基因组

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