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作者：徐浩，南京农业大学博士在读，主要研究根际微生物与植物的互作效应。 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！本期周刊为您介绍有益细菌 Pseudomonas protegens CHA0在不同营养条件下定殖小麦 （Triticum aestivum） 根际的潜力及其对小麦根际微生物组装的影响。原文于2023年发表在Microbiome上。
根系分泌物可以迅速改变大量土壤微生物群，形成一个更专业、更具代谢活力的群落（即根际微生物组），能够利用新的生态位资源。根际微生物组的组成部分依赖于植物根系分泌物的成分，而这些成分会随着植物的基因型、发育阶段或对环境变化的响应而变化。此外，根系分泌物中含有多种植物次生代谢物，这些代谢物通过促进或抑制特定细菌的生长，参与微生物群的信号传导过程，从而影响微生物群的组装和功能。微生物群成员之间的相互作用也决定了根际微生物群的结构和组成。微生物组成员之间的相互作用也同时决定根际微生物组的结构和组成。植物有益细菌接种剂因其促进植物生长和健康的潜力在农业中备受关注。然而，接种根际微生物群通常会导致定植效果不理想或定植时间短暂，这由多种因素引起。为了更好地理解由多种因素选择机制组成的复杂根际微生物群对植物有益接种剂的影响，需要对高复杂性的土壤微生物群进行研究。在本研究中，分析了有益细菌 Pseudomonas
protegens CHA0T （以下称CHA0）在不同营养条件下定植小麦（Triticum aestivum）根际的潜力及其对小麦根际微生物组装的影响。结果表明，养分有效性是小麦土体和根际微生物组组成、结构和多样性的主要驱动力，并决定了控制早期微生物组发育的组装过程。1.CHA0在所有条件下均能定殖，并且在稳定群落的根际中表现出更高的丰度 我们评估了植物有益接种剂CHA0在面对自然土壤细菌群落（以下简称NatComs）时的植物根际响应，分别在活跃生长状态（营养丰富环境）和稳定状态（营养受限环境）下进行研究。同时，我们还分析了NatComs在这两种状态下不同细菌类别的相对丰度。总体而言，活跃生长状态下的NatComs以 Gammaproteobacteria 为主（图 1A），其次是 Alphaproteobacteria、Bacteroidia、Actinobacteria和 Bacilli。相反，稳定的NatComs以Bacilli为主，其次是 Alphaproteobacteria、Gammaproteobacteria、Bacteroidia和 Planctomycetes。值得注意的是，除了接种CHA0显著降低稳定状态下根际微生物组中Alphaproteobacteria和Gammaproteobacteria的丰度，但对其他优势细菌类别的相对丰度没有显著影响（图1B）。此外，在稳定状态下的根际NatComs中，检测到的与CHA0匹配的ASV（操作分类单元）的丰度最高，且显著高于土体土和活跃生长状态下的细菌群落。因此，接种剂能够有效地到达根际微生物群，并持续存在至少9天（图 1C）。
图1 接种和未接种CHA0后小麦土体和根际细菌群落的组成和多样性 2.营养限制条件下，CHA0的增殖改变了根际多样性 接下来我们评估了根际微生物组的多样性是否受到接种剂或养分可用性的影响。活跃生长状态下 NatComs 的Shannon 指数显著高于稳定状态（图 1D），这可能是由于最初较高的营养可用性引起的；同时，无论是生长还是稳定的NatComs的根际Shannon 指数均显著高于土体；除了在稳定状态下的根际中接种CHA0显示降低Shannon 指数外，在土体土中和生长状态下接种CHA0并没有导致多样性的显著差异（图 1D）。此外，活跃生长状态下 NatComs 的Shannon 多样性指数与接种时间之间存在正相关性，这表明随着时间的推移，微生物群落的多样性可能会增加，这可能与根系分泌物的持续输入和微生物群落的活跃生长有关。而在稳定状态下的 NatComs中没有观察到 Shannon 多样性指数与接种时间之间的显著相关性，这可能表明在营养受限的条件下，微生物群落的多样性随时间的变化不大，或者可能会有所下降（图 1E）。3.群落演替受到养分可用性、小麦根系和CHA0增殖的影响根据 Bray-Curtis 结果表明，来自两个状态下的样本显示出不同的成分组成和层次聚类（图 2A-B）。对于生长状态下的 NatComs，接种CHA0对小麦土体和根际群落均有影响。而对于稳定状态下的 NatComs，所有土体土样本都聚集在一起，表明在营养受限的环境中，微生物群落的组成变化较小；根际群落则出现明显的分离，这表明接种CHA0的根际群落正在经历连续的变化，这与根际微生物组的组装、CHA0的增殖或两者的组合相关。随着接种时间的推移，生长状态下的 NatComs变异性增加（图 2C），这可能是由仍在生长的群落引起的；稳定状态下，随着接种时间的推移土体土的NatComs变异性不发生改变而根际增加，这表明部分稳定的 NatComs 种群可以利用根系分泌物作为碳源生长。此外，除接种的小麦根际外，接种时间与生长状态下NatComs 中的 Bray-Curtis 差异性呈正相关（图 2D），这可能表明随着时间的推移，微生物群落的组成在不断变化，群落结构在演替过程中逐渐多样化。而在稳定的 NatComs 中，仅在根际观察到与接种时间的显著相关性，这可能表明在营养受限的条件下，微生物群落的组成变化较小，群落结构相对稳定。
图2 接种和未接种CHA0小麦土体和根际细菌群落的演替轨迹 4.NatComs组装过程受营养物质可用性的控制，但不影响整体关联网络
使用β-最近亲缘指数（βNTI）和基于Raup-Crick的Bray-Curtis（RCbray）指数来确定确定性和随机性组装过程的贡献。β-最近亲缘指数（图 3A）表明，生长状态的NatCom主要受确定性过程影响，而稳定状态的NatCom则更多地受随机过程的影响；环境因素（土体土和根际土）显著影响了模型偏差（图3B），但接种CHA0的影响不显著，除了在稳定状态的根际中（图3C）。CHA0 的接种降低了土体土和小麦根际的同质选择比例，转而增加了非支配过程的比例，这表明接种改变了稳定状态下根际微生物群落的组装动态。网络分析表明，群落总体上以正相互作用为主，其数量大约是负相互作用的三倍（图3D-E），表明根际微生物群落中正相互作用占主导地位。然而，网络模块化几乎与群落状态、环境或CHA0 的接种无关。
图3 CHA0接种后的 NatComs 群落组装过程和生态关联 5.CHA0的接种改变了其他假单胞菌 ASV 的相对丰度 我们进一步探索了CHA0 接种下生长或稳定的 NatComs 中 ASV 相对丰度的变化。总体而言，ASV相对丰度变化的数量仅限于几个门水平，且大多数变化发生在小麦根际（图4A）。对前五种最丰富的假单胞菌 ASV 进行探究发现（图 4B-C），在生长状态下，ASV1142在群落的假单胞菌部分中占主导地位。然而，在稳定状态下，ASV1148在群落的假单胞菌部分中占主导地位，且无论是否接种CHA0，ASV1142 的丰度都很低，这表明ASV1142 的丰度差异是基于营养的生长限制而不是与接种剂之间的竞争。然而，当在生长条件下的小麦根际中与 CHA0 共同接种时，ASV1168、ASV1169和 ASV1173表现出相对丰度降低（图 4C），这表明它们之间可能存在竞争。
图4 CHA0的接种会导致生长或稳定状态下的 NatComs 发生离散变化 为了进一步验证这一点，我们在没有NatComs的情况下对三种密切相关的假单胞菌菌株，即CHA0（ASV1148）、ASV1168 和 ASV1173进行了竞争实验（图5）。结果表明，CHA0 和 ASV1168 能够共存，并在土体土或小麦根际中达到相似的比例（图 5A）。相比之下，两种菌株都能够击败ASV1173。ASV1168 和 ASV1173单独与CHA0或三者联合接种增加了小麦植株的地上部和根的生物量（图 5B），但 CHA0-ASV1173 接种的增加程度高于 CHA0-ASV1168，这可能是由于 ASV1173 的置换从而增加了能够发挥这种生长促进作用的CHA0的丰度。
图5 土体土或小麦根际中假单胞菌菌株的竞争 本研究在两种营养状态下，即生长状态（营养丰富）和稳定状态（营养有限）探讨了植物有益细菌Pseudomonas protegens CHA0T在小麦根际土壤微生物群落中的建立及其对群落结构和多样性的影响。研究结果表明，CHA0能在所有条件下建立，并在稳定状态下的小麦根际中更为丰富，表明养分有效性是土壤和小麦根际微生物组组成、结构和多样性的主要驱动力，并决定了控制早期微生物组发育的装配过程。此外，研究还发现，在营养受限条件下，根际微生物群落的多样性受到CHA0接种的影响，且群落的组装过程由确定性和随机性因素共同驱动。生态关联网络分析揭示了正相互作用在根际微生物群落中的主导地位，以及CHA0接种对微生物群落网络结构的潜在影响。假单胞菌菌株之间的直接竞争只能部分解释微生物组的变化，表明根际或土壤界面中的间接相互作用或空间分布可能对某些细菌的生存至关重要。本研究揭示了小麦根际生态位对CHA0 的支持作用以及CHA0与其密切相关细菌的竞争力，为理解植物有益细菌在根际微生物群落中的建立策略提供了见解。论文信息 原名：Changes in structure and assembly of a species‑rich
soil natural community with contrasting nutrient availability upon
establishment of a plant‑beneficial Pseudomonas in the wheat rhizosphere 译名：不同养分条件下，在小麦根际引入对植物有益的假单胞菌后，物种丰富的土壤自然群落的结构和组装变化 期刊：Microbiome DOI：10.1186/s40168-023-01660-5 发表时间：2023年9月 通讯作者：Daniel Garrido‑Sanz & Christoph Keel 通讯作者单位：University of Lausanne
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