【原】【LorMe周刊】植物驯化塑造根际微生物组组装和代谢功能

LorMe青年 2023-06-14 发布于江苏

展开全文

作者：李亚蓉，南京农业大学硕士在读，主要研究根系代谢组及根际微生物组解析。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍小麦驯化过程中根际微生物群落及其代谢功能特征，原文于2023年发表在《Microbiome》上。

导读

根际微生物组受宿主基因型、根系分泌物和植物驯化的共同影响，对维持农业植物生长至关重要。但人们对植物驯化如何建立特定的根际微生物组和代谢功能，以及受影响的根际微生物组和相关根系分泌物在维持植物生长中的重要性，目前尚不清楚。本文作者从国际小麦基因组测序联盟（IWGSC）获得了44份四倍体小麦材料（22个驯化型和22个野生型），基于全基因组系统发育分析，选择在系统发育树中具有代表性的分支和表型最佳的6个个体材料，分别为驯化型D1、D2、D3和野生型W1、W2、W3（图1）。随后整合宏基因组学和代谢基因组学，探讨驯化和野生小麦的特定根际微生物组及其根系分泌物在招募根际微生物组功能中的生态作用。

图1.驯化和野生四倍体小麦的全球分布和表型

主要结果

时间安排详情

野生和驯化小麦土壤微生物群落具有不同的多样性模式

驯化小麦根际细菌群落的香浓多样性显著高于野生小麦，而真菌群落则呈相反的趋势。与驯化小麦相比，野生小麦的细菌和真菌群落β多样性均呈现出明显的差异。同样，CAP分析也进一步揭示了野生和驯化小麦微生物群落之间的明显分离。综上所述，驯化对根际细菌和真菌群落的组成产生了强烈的选择作用。

驯化改变了微生物分类模式和界间共生

差异丰度分析揭示了根际微生物群落中326个细菌ASVs和191个真菌ASVs受到植物驯化的显著影响。随机森林建模分析进一步揭示了与植物驯化状态最相关的前30个细菌ASVs，主要属于Proteobacteria、Bacteroidetes和Actinobacteria。前30个真菌ASVs主要属于Ascomycota和Basidiomycota。

微生物共生网络分析发现，小麦驯化过程明显改变了细菌-真菌跨界互作模式，使得野生和驯化微生物网络中的细菌和真菌发挥着不同的角色。具体而言，在驯化微生物网络中，根际细菌类群显示出比真菌类群更高的网络连通性，野生微生物网络中这种差异更明显（图2A-D）。驯化小麦根际微生物网络中表现出细菌与细菌、细菌与真菌之间更高的网络连通性，而野生小麦则显示了真菌与真菌之间更高的网络连通性。这表明小麦驯化过程增强了根际细菌-细菌的内部关联和细菌-真菌的跨界关联，但减少了根际真菌-真菌的关联。

根据节点度、高连接度和低中心中介性的标准，定义了潜在的“关键类群”，这些类群在微生物跨界网络中起到重要作用。结果显示，在驯化小麦的根际微生物网络中，细菌是关键类群，而在野生小麦微生物网络中，关联主要围绕着真菌网络展开（图3A和B）。这种对比模式揭示了真菌和细菌在维持驯化和野生小麦微生物网络中的不同作用。总体而言，驯化小麦根际微生物群落中，微生物装配模式和生态互作受到细菌的调控，而对于野生小麦，真菌的作用更为重要。

图2.微生物间相关性网络和节点拓扑特征

驯化状态影响微生物功能特征

基于驯化和野生小麦根际样本的宏基因组测序结果，野生小麦中富集了更多地KO功能类别，并且只有野生小麦中富集了与遗传信息处理通路相关的功能类别（图3A）。在驯化小麦中，富集的差异功能类别涉及甲基受体趋化蛋白（MCP）相关功能基因以及双组分系统、脂肪酸降解和群体感应通路（图4B）。相反，野生小麦中富集了与核苷酸切除修复和嘌呤代谢等通路相关的功能类别。

基于KEGG Orthology、CAZyome和COG的NMDS排序结果表明，驯化小麦和野生小麦的根际微生物群落功能定位显著不同，驯化小麦根际微生物群落功能多样性高于野生小麦。此外，与C、N和P循环相关的功能基因在野生小麦中显著富集，这些功能基因（即K02314、K01687和K04066）是植物表型特征（包括植物高度、叶绿素含量和穗长）的重要预测因子。

图3.驯化的和野生的小麦的根际微生物组的功能概况

根代谢产物特征及其与微生物群落和植物表型特征之间的关联

使用代谢物广泛关联研究（MWAS）来探究优势微生物类群对生物标志代谢物的特异性响应及其与植物表型之间的联系。在驯化小麦中，前25个主要细菌属和真菌属与富集的代谢物分别存在更多的负相关和正相关（图4）。然而，野生小麦中这些模式是相反的。随机森林分析发现代谢物与植物表型之间的关联是稳健的，其中苹果酸、黄麻脂肪酸、芹菜甘和油酸酰胺等代谢物被确定为重要的植物属性预测因子。关于植物属性与优势微生物群落之间的关系，在驯化小麦中呈正相关（图4A和C），而在野生小麦中则相反（图4B和D）。MWAS揭示了不同驯化状态对应于细菌和真菌群落之间差异化的生态关联，表明它们具有不同的底物偏好性。

图4.驯化和野生小麦中富集的根基细菌和真菌的全代谢相关性研究（MWAS）

为了验证上述结果，作者进行了微生物接种实验，评估细菌培养物或接种物对植物生长的影响（图6A）。结果显示，与对照相比，根际微生物的接种显著减少了根长，但促进了根平均直径（图6B）。进一步分析发现，驯化小麦的根长与细菌属Nocardioides和真菌属Holtermanniella多样性密切相关。而野生小麦的根长与Pedobacter和Microdochium的多样性显著相关。根据实验的结果，进一步验证了Microbacterium mitrae对驯化和野生小麦根的生长的显著影响（图6C、D和E）。关于根形态特征，M. mitrae的接种抑制了根的生长，减少了幼苗的鲜重/干重（图6F）。去除M. mitrae后，这种抑制效应消失。考虑关键种群在维持根形态特征中的生态作用，这些结果表明，无论小麦的驯化状态如何，单个关键种群对根的生长具有一致的调节作用。

图5.根际微生物群落接种后根系形态特征的响应

结论

这项研究系统地揭示了植物驯化过程中根际微生物群落及其代谢功能的变化（图6）。研究结果表明，植物驯化对根际微生物群落装配具有更强的选择性。此外，研究还证明植物驯化导致基因多样性的减少，并引起与多营养元素循环相关的功能基因的变化。另外，研究发现根系分泌物在塑造根际微生物群落和决定根形态特征方面发挥着不同的功能作用。总体而言，这些发现表明植物驯化通过释放具有不同功能作用的根系分泌物，对根际微生物群落装配和功能适应产生了强烈且直接的选择。该研究对于我们更好地理解小麦根际微生物群落在植物驯化过程中的物种共存和功能适应具有重要意义，并为新的植物育种策略提供了指导。