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本文由熊志强编译，董小橙、江舜尧编辑。 原创微文，欢迎转发转载。 柑桔是一种全球重要的多年生果树，其根际微生物群在促进柑桔生长和健康方面发挥着重要作用。本研究中，综合分析了柑桔根际微生物群的结构和功能组成。通过对六大洲不同的生物地理区域采集的对照土壤和根际土壤样品进行了扩增子测序和深度鸟枪法宏基因组测序，我们发现其中主要的分类群包括Proteobacteria，Actinobacteria，Acidobacteria以及Bacteroidetes。柑桔根际核心微生物群包括Pseudomonas, Agrobacterium, Cupriavidus, Bradyrhizobium, Rhizobium,Mesorhizobium, Burkholderia, Cellvibrio, Sphingomonas,Variovorax以及Paraburkholderia，这其中包括一些潜在的有益于植物的微生物。在柑桔根际中，我们同时鉴定出一些过表达的微生物功能特征，其中包括调节植物-微生物相互作用，调节微生物-微生物相互作用，营养获取以及促进植物生长等功能特征。基于以上结果为指导微生物的分离和培养提供了有价值的信息，并通过利用微生物群来改善植物的生产和健康提供了可能性。 论文ID 原名：The structure and function of theglobal citrus rhizosphere microbiome 译名：全球柑桔根际微生物群的结构与功能 期刊：Nature communication IF：12.535 发表时间：2018年 通信作者：Tao Jin；Nian Wang 通信作者单位：华大基因（深圳）；University of Florida，赣南师范大学国家脐橙工程研究中心 实验内容 1 全球柑桔根际微生物群的分类特征 为了探究构成柑桔根际微生物群的微生物特性及其基因组和功能特征，作者在全球6大洲中8个主要柑桔生产国的23个具有代表性的地点，对柑桔根际土壤及与其相关的对照土壤进行采样（图1）。这23个取样点包括7种不同的土壤类型，6种气候类型，其土壤pH值在5.2~8.8之间，同时有机碳、有机氮、有机磷的含量都具有很大的差异。基于高通量测序（16S rDNA和ITS2）和鸟枪法宏基因组测序，在去除与柑桔寄主相关的序列后，在对照土壤样本和根际土壤样本中平均每个样本分别获得21,942和22,797个16S rDNA标签以及21,523个和22,555个ITS2标签。 图1 世界柑桔产区取样点的地理分布。紫星代表采样点；橙色代表主要柑桔生产国。该地图根据粮农组织2016年的数据调整了地图。星号：只采集根际土壤样本。 本研究中，我们主要通过宏基因组测序确定柑桔根际土壤与其相关的对照土壤中微生物的分类特征，同时通过扩增子测序用于补充分析。分类注释占功能基因的40.66%，其中原核生物(细菌和古菌)占40.48%(占注释到的功能基因总数的99.55%)。只有0.17%的功能基因被标注为真核生物(包括真菌、原生动物、藻类和植物)(占注释功能基因总数的0.41%)。病毒基因只占注释到的功能基因的0.02%，表明潜在的注释偏差会导致对真核生物和病毒群落的估计不足。基于以上结果支持了这样一种推测，即我们对土壤/植物微生物群落的理解还处于早期阶段，对许多群落成员知之甚少。尽管如此，通过扩增子序列和宏基因组测序所估算的在门水平上得群落组成是高度一致的。柑桔根际的优势原核门包括Proteobacteria, Actinobacteria,Acidobacteria以及Bacteroidetes，优势真菌门包括Ascomycota和Basidiomycota（图2a）。 基于相同采样点的不同土壤样本数据，通过观察柑桔根际和对照土壤之间微生物多样性的差异，探究根系分泌物对根际群落组成的影响。基于全球范围的样本研究，无论是在整体上(p>0.0 5)还是进行组内比较(p>0.0 5)，对照土壤样本和根际土壤样本在α多样性方面均无显着性差异(p>0.0 5)（图2b，S5a）。然而，来自巴西的样本在根际土壤和对照土壤在群落组成上存在差异（t检验，p<0.05）。基于未加权的距离矩阵进行主坐标分析（PCoA）和变分分析（VPA）同样发现对照土壤样本和根际土壤样本在群落组成方面没有差异(p>0.0 5)（图2c，S5b）。随后，我们利用扩增子序列和宏基因组测序比较了在高(门)和低(属)分类水平上对照土壤和根际土壤微生物的相对丰度，其中在门水平上，在根际土壤中Proteobacteria和Bacteroidetes等细菌相对丰度较高，而Crenarchaeota, Euryarchaeota和Thaumarchaeota等古菌相对丰度较低。真菌在门水平上在根际和对照土壤的相对丰度上没有任何差异。在较低的分类水平上，在根际土壤样本中共有142个属被富集而160个属被消耗。在根际土壤中的被富集的原核生物主要分属于Proteobacteria和Bacteroidetes（p<0.05），而被消耗的属主要分属于Cyanobacteria, Firmicutes,Actinobacteria以及Euryarchaeota。在属水平上被富集的微生物属于Ascomycota。 图2 柑桔根际和对照土壤微生物群落的分类学分布及多样性比较。a表示基于16S 扩增子和宏基因组数据的对照土壤和根际土壤样本在门水平上的分布。b表示基于16S扩增子Shnnon指数数据，对照土壤和根际土壤每个样本的α多样性比较。N.S.表示无显著性差异，*p值<0.05。c表示对照土壤与根际之间基于16S扩增子数据的PCoA分析，AUS代表澳大利亚, BR代表巴西, CN代表中国, FR代表发过留尼旺岛, IT代表意大利, SA代表南非, SP代表西班牙。 图S5 柑桔根际和空白土壤微生物群落的α多样性和β多样性比较。（a）基于Shannon指数的各地点空白土壤和根际土壤样本α多样性比较，N.S.代表无显著性差异，*代表p<0.05；（b）基于未加权的unifrac距离对空白土壤和根际土壤样本之间的PCoA比较。 2 全球柑桔根际微生物群的核心分类群 由于所获得的宏基因组测序提供了更全面的分类信息，同时该方法得到的群落组成与扩增序列的一致，因此选择了该方法来定义根际核心微生物群，其标准为：与相应的对照土壤样品相比，这些属既在根际富集，又存在于全球75%以上的根际土壤样本中。基于这一标准，我们在2193个细菌属中发现，柑桔核心根际微生物群共鉴定出132个细菌属（图3a）。其中Proteobacteria门中的Pseudomonas, Agrobacterium,Cupriavidus, Bradyrhizobium, Rhizobium, Shinella, Mesorhizobium,Burkholderia, Cellvibrio, Sphingomonas, Variovorax,Paraburkholderia, Dyadobacter, Novosphingobium, Devosia和Ensifer细菌属在根际土壤中过表达（p<0.05）（图3b）。此外，7个真菌属被确定为根际核心微生物区系，它们隶属于Ascomycota（图3b）。 图3 柑桔根际核心微生物的特征。a代表基于所有样本中的存在率>75%，采用Venn图描述了核心根际属的数量，并利用宏基因组描述了从对照土壤到根际土壤的根际富集属。b代表基于宏基因组数据中的60个最丰富的核心根际属在地理位置和空间上的相对丰度。从蓝到黄代表了每个分类群从低到高的相对丰富度。AUS代表澳大利亚, BR代表巴西, CN代表中国, FR代表发过留尼旺岛, IT代表意大利, SA代表南非, SP代表西班牙。 3 全球柑桔根际微生物群的核心功能特征 基于Unigene集的稀疏曲线分析表明，柑桔根际和对照土壤微生物的Unigene集没有达到一个平台（图4a），表明柑桔根际和对照土壤微生物群落仍有较高的多样性和复杂性。在KEGG level2水平上共注释到了23条代谢通路（图4b）。总的来说，在至少75%的根际土壤和对照土壤样本中分别注释到66.6%和71.3%的KOs。基于根际和对照土壤样本的两两比较表明，根际样品中有1748个KOs被富集，而1417个KOs被消耗。利用核心分类群分析中75%的代表性和富集性，我们定义了柑桔根际中核心微生物群落功能特征及被消耗的微生物功能特征。其中我们注释到1620个核心功能特征以及1400个被消耗的功能特征（图4c），这些核心功能性状主要涉及植物-微生物和微生物-微生物相互作用以及可能参与微生物养分获取的途径。根际缺失的功能性状参与了遗传信息处理和代谢途径，如碳水化合物代谢、氨基酸生物合成、能量代谢和核酸生物合成（图4e，S8）。 图4 柑桔根际微生物组核心功能的表征。a表示柑桔根际和对照土壤微生物群落中检测基因的稀疏曲线（基于100倍排列的取样顺序，中心值表示检测到的基因的中值）；b表示在KEGG level2水平上柑桔根际土壤与对照土壤微生物组功能比较；c表示基于所有样品的存在率>75%，利用Venn图表示从对照土壤到根际土壤中核心微生物富集的KOs数量；d表示基于所有样品的存在率>75%，利用Venn图表示从对照土壤到根际土壤中核心微生物被消耗的KOs数量；e表示根际核心KOs在KEGG level3水平上代谢通路分布，其中*表示p<0.05,**表示p<0.01；***表示p<0.001。 图S8 KEGG level3水平上根际微生物群普遍消耗的KOs的分布。其中*表示p<0.05,**表示p<0.01；***表示p<0.001。 在植物-微生物和微生物-微生物相互作用中，如细菌分泌系统、鞭毛组装、细菌趋化性、细菌毒素、细菌运动、双组分系统和生物膜形成等在根际核心微生物群落中都有过度表达（图5a）。根际微生物群落中的抗药性和抗生素合成相关基因也同样被富集。这些结果表明，根际土壤中的寄主-微生物和微生物-微生物相互作用比在块状土壤中发生的要多。 营养是形成根际微生物群的重要因素。根际充满了植物衍生化合物，这些化合物很可能是微生物的营养来源。与此相一致的是，含有运输植物源营养物质(如氨基酸、肽、尿素、低聚糖和单糖)的转运蛋白的KOs在核心根际微生物体中过表达（图S11a）。在核心根际微生物群中也观察到了与降解苯甲酸钠、氨基苯甲酸和二甲苯等芳香化合物有关的途径的富集（图S11b）。另一方面，根际被消耗的KOs包括介导的碳固定和氨基酸生物合成的KOs（图5b）。此外，与参与蛋白质降解和氨基酸循环的肽酶有关的KOs在根际微生物群中被消耗殆尽，这进一步表明根际微生物可以直接从根分泌物中获得氨基酸，而氨基酸是这个生境中比蛋白质更重要的氮或碳源（图S13a），转录因子在根际群落中也有过度表达的倾向（图S13b）。 图5 根际微生物群落核心和普遍消耗的KOs的相对丰度。a表示核心根际KOs的相对丰度；b表示在不同地点和取样区域中，涉及能量代谢的普标被消耗的KOs。颜色从蓝色到黄色代表每个分类群从低到高的相对丰富度。 图S11 ABC转运蛋白(a)和异生物物质生物降解与代谢(b)中的根际微生物群落核心和普遍被消耗的KOs的相对丰度 图S13 肽酶(a)和转录因子(b)参与的根际微生物群落核心和普遍被消耗的KOs的相对丰度 评 论 基于扩增子测序和宏基因组测序分析，作者探究了了柑桔根际微生物组成，但这方面的研究还处于起步阶段。虽然目前的宏基因组测序提供了一些关于根际群落潜在功能的见解，但只有当我们更好地理解这些特征的原位表达(如宏转录体)时，才能更好的对植物中微生物之间相互作用进行评估。从长远来看，更好地了解植物微生物群，应该从能够利用这些微生物来改善柑桔的健康和生产力方面着手。评价仅是小编的个人看法，欢迎大家一起进行讨论。
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