SCLS | 沈其荣团队袁军组-土壤植物系统影响植食者肠道微生物组成及取食偏好

昵称37581541 2023-03-17 发布于江苏

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转载自宏基因组公号（2023年3月15日）

解析基质栽培虫害发生的系统性微生物机制

Growth substrates alter aboveground plant microbial and metabolic properties thereby influencing insect herbivore performance

Science China Life Science [IF-10.384]
DOI:10.1007/s11427-022-2279-5
全文链接：https://www./SCLS/doi/10.1007/s11427-022-2279-5
Published online:2023.03.14
第一作者：
Jun Yuan(袁军)
通讯作者：
Qirong Shen（沈其荣）（email:shenqirong@njau.edu.cn）

写在前面

这项工作持续了大概五年，从发现现象到揭示规律，再到文章修改，整个文章来来回回大型修改了三次，终于在SCLS成功发表。继续着我们关于“地上-地下”互作的微生态机理研究。同时，开启了昆虫取食通过影响根系分泌物介导植物-微生物互作的研究工作。

背景

昆虫取食特性以及环境因子影响了肠道微生物的组成，已有研究报道昆虫肠道微生物来自于土壤而非植物。土壤微生物和肠道微生物主要通过以下三种途径发生关联：首先,土壤微生物会直接影响肠道微生物；其次,土壤微生物以及其他非生物特性影响植物相关的微生物，随着昆虫取食植物组织进而影响昆虫肠道微生物；最后，土壤微生物影响植物组织的营养状况从而影响肠道微生物。不同栽培系统会改变植物组织养分或者次级代谢产物的产生，从而影响下一营养级如昆虫的取食。然而，植物地下部生长基质的生物/非生物特性如何影响植物，进而影响昆虫的生长，这一机理目前还不清楚。

文章亮点

本研究首先通过16sRNA基因测序，证明不同栽培系统可以改变昆虫肠道微生物组；同样地，叶片微生物组也存在显著差异。此外，代谢组学分析表明不同栽培系统可以诱导叶片代谢变化，进而影响昆虫的取食。通过对多营级的代谢组和微生物组进行联合分析，我们发现地下部生长基质改变了地上部植物组织的代谢物和养分含量，从而影响叶片微生物组的组成，进而通过改变的叶片微生物组直接或间接地改变肠道微生物组并影响地上部昆虫的取食偏好。因此，地下部底物的选择对地上部作物的微生物组和代谢组都有很大的影响，这些底物介导的变化进而影响作物天敌的取食和肠道微生物组。本研究明确了地下部生长基质对于地上部植物-昆虫相互作用的影响及其潜在机制，为农业系统中作物病虫害防控提供理论基础。

主要结果

结果一不同栽培系统对昆虫及其肠道微生物组的影响

当取食生长在土壤（土壤1：长期化肥管理；土壤2:长期有机管理）中的白菜时，昆虫重量显著低于取食生长在蛭石中的白菜，昆虫肠道微生物群的α多样性显著高于取食生长在蛭石中的白菜。蛭石系统和土壤系统中的肠道微生物群落组成具有显著差异，蛭石系统中昆虫肠道微生物组的优势科为Alcaligenaceae 和 Microbacteriaceae，而土壤系统中昆虫肠道微生物组的优势科为Pseudonocardiaceae。此外，共生网络分析表明，土壤系统中的肠道微生物群落比蛭石系统的肠道微生物群落更加稳定。

结果二不同栽培系统对植物叶片微生物组与代谢组的影响

生长在土壤中的植物叶片的细菌α多样性显著高于生长在蛭石中的植物。土壤系统中的植物叶片有更高丰度的厚壁菌门和放线菌门，而蛭石系统中的植物叶片有更高丰度的变形菌门。网络分析发现，与生长在土壤中的植物相比，在蛭石中生长的植物叶片微生物组中有更多关联，特别是正关联。土壤和蛭石系统的叶片化学特性不同，在蛭石系统中生长的叶片中具有更高浓度的硝酸根离子和更低浓度的茉莉酸含量。通过用GC-TOF-MS对叶片代谢物进行分析，发现两个系统中的叶片代谢物组成不同。

结果三肠道微生物组、昆虫性能与叶片多组学之间的关联

通过PLS-PM分析发现昆虫取食和肠道微生物组都与叶片微生物组和叶片代谢物相关。昆虫取食通过叶片代谢物与生长基质中微生物组直接或间接相关。叶片营养物质直接影响昆虫体重，而且亚硝酸盐是影响昆虫的潜在重要因子。通过机器学习和方差分析，20种与昆虫取食相关的化合物被确定：10种在蛭石系统中生长的植物叶片中富集，即腺嘌呤、异亮氨酸、苯丙氨酸、柠檬酸、β-丙氨酸、赖氨酸、酒石酸、棉籽糖、羟脯氨酸和蛋氨酸；10种在土壤系统中生长的植物叶片中富集，即乳糖酸、4-氨基丁酸、二糖、果糖、核糖醇、半乳糖醇、葡萄糖酸内酯、葡萄糖酸、苹果酸和葡萄糖。明确了15种化合物与肠道微生物组相关，即腺苷、植醇、肌醇、木糖、腺嘌呤、酒石酸、蛋氨酸、β-丙氨酸、异亮氨酸、半乳糖醇、草甘糖、乳糖酸、葡萄糖、核糖醇和4-氨基丁酸。还发现了叶片中与昆虫取食和肠道微生物组显著相关的特征微生物。此外，土壤中几个微生物（Actinoallomurus, Actinospica, Amnibacterium, Ralstonia, Rhizomicrobium, Geobacter）与昆虫肠道微生物组有关，蛭石中的微生物（Sphingopyxis, Niastella, Kinneretia, Dyadobacte, Curtobacterium）与昆虫的取食有关。

结果四特征叶片代谢物对昆虫取食的影响

在硝酸盐测试中，毛虫取食更多经过高浓度硝酸盐处理的叶片。在施用混合代谢物的试验中，与喷洒去离子水相比，昆虫对经蛭石系统中富集的代谢物喷洒的叶片取食地更多，而对经土壤系统中富集的代谢物喷洒的叶片取食地相对较少。

根际互作生物学研究室简介

根际互作生物学研究室是沈其荣院士土壤微生物与有机肥团队下的一个关注于根际互作的研究小组。本小组由袁军副教授带领，主要关注：1.植物和微生物互作在抗病过程中的作用；2 环境微生物大数据整合研究；3 环境代谢组及其与微生物过程研究体系开发和应用。团队在过去三年中在 ISME J，Microbiome，SCLS，Fundamental Research，iMeta， PCE，SBB，JAFC（封面），Horticulture Research，SEL（封面），BMC plant biology等期刊上发表了多篇文章。欢迎关注微生信生物公众号对本研究小组进行了解。

撰写：杨盛蝶

修改：文涛

审核：袁军