Plant Com：中科院遗传发育所白洋组开发定量检测宿主微生物组的HA-QAP技术(王二涛点评)
2019年6月21日，Molecular Plant 联合Cell Press宣布创办姊妹刊Plant Communications。
Plant Communications 定位是成为具有广泛国际影响力的植物科学领域高水平开放获取式期刊，致力于发表植物科学各个领域的重要科研成果，与Molecular Plant 联袂为植物科学的发展和国际学术交流贡献力量。2019年9月17日，在宣布创刊的88天后，Plant Communications 首批在线发表了三篇研究论文，我们将通过“Mol Plant植物科学”微信公众号逐一与大家分享三项研究的主要成果。
Plant Communications is dedicated to disseminating important research advances across all areas of plant sciences and aims to provide a high-quality publishing platform that complements its sister journal, Molecular Plant, for better serving the global plant science community.
健康的植物根系定植着复杂多样的微生物群系（microbiota），对于植物的营养吸收、胁迫适应以及疾病抵抗具有重要的作用。当前，植物根系微生物组的检测主要是基于扩增子高通量测序产生的相对丰度（relative abundance），却无法评估微生物相对于宿主的总量（the total microbial load）。而在微生物总量未知的前提下，经典的相对丰度分析（the classical profiling method）有时会产生“欺骗性”的结果（FIG. 1A），这也是目前微生物组研究的局限。
2019年9月17日，Plant Communications 在线发表了中科院遗传与发育生物学研究所白洋研究组和傅向东研究组合作完成的题为Host-Associated Quantitative Abundance Profiling Reveals the Microbial Load Variation of Root Microbiome 的研究论文，报道了一种定量检测宿主微生物组的新技术方法。
在该研究论文中，白洋课题组与傅向东课题组详细介绍了一种定量检测植物宿主微生物组的技术体系，将其命名为host-associated quantitative abundance profiling（简称HA-QAP，Fig. 1B）。该方法不仅能够检测微生物相对于宿主植物的总量，而且能够在不影响微生物组相对丰度数据的前提下，利用“中介spike-in”将微生物和植物宿主关联起来，获得个体微生物成员相对于植物宿主的定植量（quantitative abundance relative to host）。该方法可以真实地反映微生物组相对于宿主的变化以及微生物和微生物之间的互作，很大程度上减少和校正了基于相对丰度数据分析产生的偏差。HA-QAP分析发现，在健康农作物水稻和小麦中，细菌和植物基因组拷贝数之比约为1.07~6.61，真菌与植物基因组拷贝数之比约为0.40~2.26。该数值与细菌和人体细胞的比值（1:1）十分接近。
植物生活在各种生物、非生物胁迫条件下，这些因素都会影响根系微生物组。HA-QAP分析发现，根系微生物总量增加是水稻处于干旱条件下的一个关键微生物组特征。该特征在根腐病患病小麦的根系微生物组中也同样存在。宏基因组测序结果支持了HA-QAP的分析结果，并与之呈现显著的相关性。
该方法可以检测和比较不同环境条件下植物宿主的微生物总量差异，将微生物组的定量特征和宿主的定量数据，例如表型数据、生理特征或者代谢物等进行关联分析，为探索植物-微生物的互作提供了新技术和新思路。
白洋组博士后郭晓璇、博士生张小宁、秦媛为共同第一作者，中国科学院遗传与发育生物学研究所的傅向东研究员和白洋研究员为共同通讯作者。该研究得到了中国科学院前沿科学重点研究项目、重点部署项目和国家自然科学基金面上项目、青年科学基金项目的支持。
原文链接:
https://www.cell.com/plant-communications/fulltext/S2590-3462(19)30003-3
专家点评
王二涛（中科院分子植物科学卓越创新中心/植物生理生态研究所研究员）
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在自然界中，真核宿主会被复杂多样的微生物群落所定殖。宿主相关的微生物组已经被16S rRNA基因、ITS扩增子测序等方法广泛研究[1-2]，但这种经典的分析方法只关注了微生物类群的相对丰度，未能揭示总的微生物数量。如果不知道微生物的总量，就不可能确定某些微生物的富集是由于其绝对丰度的增加还是由于其他优势类群丰度的减少[3]。最近，基于spike-in的微生物组分析方法被开发对微生物数量进行了绝对定量[4]，目前没有被广泛使用。因此，确定微生物总量和个体微生物相对于宿主组织的丰度将极大推动宿主相关的微生物组的研究。
中国科学院遗传与发育生物学研究所白洋研究组和傅向东研究组针对于以上问题建立了一种简单高效的宿主相关定量分析方法（host-associated quantitative abundance profiling, HA-QAP），该方法能精确测定总微生物数量以及个体微生物相对于植物基因组的定殖。
HA-QAP方法是基于一个人工合成的spike-in质粒，这个质粒包含一个宿主特异基因片段，侧翼是真菌ITS和细菌16S rRNA基因的保守区，可以对微生物样本中细菌和真菌reads数量进行标准化；在加入spike-in质粒进行PCR扩增前，通过对宿主标记基因进行qPCR绝对定量，可以标准化宿主基因组拷贝数。该研究通过模拟实验、微扰分析以及宏基因组测序证明了，与基于微生物相对丰度的经典方法相比，HA-QAP方法消除了假阳性和假阴性结果的产生。
利用HA-QAP方法，研究者发现，在干旱胁迫下的水稻植株和根腐病小麦中，总微生物量是根部相关微生物群变化的一个关键特征，这对不同类群和物种相互作用网络的模式有显著影响[5]。另外，HA-QAP方法经过修改，也可以用于任何类型的扩增子分析研究中，揭示宿主与宿主相关的微生物群落之间的相互作用关系。
参考文献：
[1] Bulgarelli D, Rott M, Schlaeppi K, et al. Revealing structure and assembly cues for Arabidopsis root-inhabiting bacterial microbiota[J]. Nature, 2012, 488(7409):91-95.
[2] Durán P, Thiergart T, Garrido-Oter R, et al. Microbial interkingdom interactions in roots promote Arabidopsis survival[J]. Cell, 2018, 175(4): 973-983. e14.
[3] Stämmler F, Gläsner J, Hiergeist A, et al. Adjusting microbiome profiles for differences in microbial load by spike-in bacteria[J]. Microbiome, 2016, 4(1): 28.
[4] Tkacz A, Hortala M, Poole P S. Absolute quantitation of microbiota abundance in environmental samples[J]. Microbiome, 2018, 6(1): 110.
[5] Guo X X, Zhang X N, Qin Y, et al. Host-associated quantitative abundance profiling reveals the microbial load variation of the root microbiome[J]. Plant Communications, 2019.
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