腐根對土壤微生物和植物的生長健康有何影響 | 微生物專題

2021-02-22 聯川生物


發表期刊：Genome Biology

影響因子：10.8

關鍵詞：土壤微生物，宏基因組，耕作，農業系統，根系

發表時間：2020.4

研究背景：

土壤環境是維持大多數陸地植物生命的重要因素，然而我們對土壤中各種微生物群落所起的重要作用卻知之甚少。在腐爛根系中的土壤微生物，可能對植物生長和健康至關重，了解其微生物宏基因組，以及它對農業管理（例如如作物輪作和土壤耕作）的響應情況，對於改善全球糧食生產至關重要。

本研究基於作物土壤中腐爛的根際生態位，建立了一個深入的土壤微生物基因圖譜。結果發現與植物類型相比，腐爛根系土壤微生物組對根際微生物組組成和功能的調節作用更大，小麥和鷹嘴豆在根系腐爛系統(DR)存在時，根際微生物組是同質的(65-87%相似)，但在DR系統被耕作破壞時，根際微生物組是異質性的(3-24%相似)。在DR存在的情況下，當根際微生物群落和土壤顆粒相互作用時，根際微生物群落對植物根系分泌物的降解作用顯著，與膜轉運蛋白、碳水化合物和胺基酸代謝相關的基因富集。

分別以小麥(Triticum aestivum L.)和鷹嘴豆(chicker arietinum L.)的幼苗為代表，分別代表穀物和豆類作物，評估不同的根系分泌物和種植管理(有/無腐爛根)的植物對微生物組組成的影響。比較了這些不同作物在有/無腐爛根時根際微生物群落的功能和分類結構。

從一塊土地採集採集帶有腐爛根(+DR)的完整土芯和去除腐爛根(-DR)的土壤。小麥、鷹嘴豆和無種植對照組在+DR和-DR條件下生長，3個重複。

宏基因組，16S rDNA

生態位的物理、化學和生物特性

利用Bray-Curtis距離進行的多元方差分析(permutational multivariate ANOVA, PERMANOVA)檢驗，P < 0.01表明，不同生態位之間的根系分泌物存在顯著的植物類型、腐爛根系(+和−)和滅菌(+和−)三方交互作用。在滅菌條件下，植物區分依賴於植物品種，而在非滅菌條件下，+DR的株型效應不強，而-DR的株型效應更強(圖1a)。這說明腐爛根系的存在掩蓋了植物類型對根系分泌物代謝的影響。根際根系分泌物降解使用從滅菌到非滅菌條件下根分泌物濃度的降低來計算，土壤中根際微生物對根系分泌物的降解程度+DR大於-DR（圖1b）。+DR處理的鮮根生長與腐根密切相關。對於小麥和鷹嘴豆來說，大約60-80%的新根系會遵循之前的根殘的通道（圖1c）。與-DR條件相比，+DR處理後細菌數量和活性更高（圖1d）。


        圖1 根系腐爛對根系土壤特性的影響。

圖1a 小麥和鷹嘴豆根際生長在±DR的有/無菌土壤中的26個根系分泌化合物(REC)Bray-Curtis距離的PCoA圖;圖1b根際微生物對根系分泌物的降解作用柱形圖；圖1c 小麥和鷹嘴豆活根對腐爛根系系統的佔有率;圖1d用±DR培養的累積土壤呼吸

因此，腐根的存在改變了活根的根際代謝、根系生長和根生物活性，對植物根際微生物群落的形成具有重要作用。

微生物的分類和生態位之間的功能組成

基於16S rDNA擴增子測序和宏基因組測序數據，進行差異豐度分析。以無腐根的根際土做為對照進行了試驗研究。得到不同的植物類型在±DR條件下的OTU、非冗餘基因、KOs的差異情況（log2-fold change > 1和FDR值< 0.01）(圖2)。

圖2小麥和鷹嘴豆在+DR和- DR條件下的根際微生物組差異情況

比較了小麥和鷹嘴豆在+和-DR條件下根際微生物群落的分類和功能基因組成。結果表明，兩種作物的根際微生物群落在+DR和交替種植時具有高度的分類學和功能相似性，而在-DR條件下，小麥和鷹嘴豆根際微生物組組成和功能均有顯著差異。（圖3）腐爛根的存在及其物理、化學和生物特性似乎促進小麥和鷹嘴豆活根中更相似的根際微生物群落。


圖3小麥和鷹嘴豆在± DR條件下根際微生物群落的分類和功能結構比較。圖3a小麥和鷹嘴豆在±DR下富集OTUs和基因韋恩圖；圖3b ±DR條件下小麥(WHR)和鷹嘴豆(CPR)的根際土壤三元相圖；圖3c OTU和非冗餘基因PCoA圖

功能注釋

比較了不同根際土壤中微生物功能和物種水平的相對豐度，展示不同生態位有顯著差異且豐度最高的功能和物種。（圖4）

+DR與-DR條件下的具有相似的豐富基因功能，屬於「碳水化合物代謝」、「異種生物降解」和「膜運輸」的比例比-DR更高。根際微生物組中分配給遺傳信息處理的基因，如「複製和修復」和「核苷酸代謝」，在-DR組上調。

在−DR條件之下，鷹嘴豆和小麥根際微生物組之間的「碳水化合物代謝」基因數量相同，而鷹嘴豆根際在碳水化合物降解相關的功能上比起小麥更為豐富，而與碳水化合物合成功能（糖基轉移酶（GTs）相關的豐度更低。此外，鷹嘴豆根際與「膜轉運」和「能量代謝」相關的功能比例最低，這與它的最低豐度的主要活性轉運蛋白相關。

圖4± DR條件下微生物功能和屬水平的相對豐度

鷹嘴豆共生的根瘤菌

在短期土壤微生物組實驗中，以相同的鷹嘴豆品種在相同的土壤中進行了4周的另一個實驗，然後對收穫的根瘤組織的16S rDNA進行測序，鑑定鷹嘴豆共生根瘤菌（csrOTU），對±DR條件下共生根瘤菌的相對豐度進行統計繪圖。（圖5）結果顯示+DR下的生態位中csrOTU的含量是-DR下的10倍以上，在+DR範圍內（圖5），鷹嘴豆根際的csrOTU含量低於小麥根際和腐爛根系周際。

圖5鷹嘴豆共生根瘤菌在小麥和鷹嘴豆根際生長的相對豐度

大田評估

通過為期2年的田間試驗，研究了不同作物類型的根際微生物組合和盆栽研究中觀察到的腐爛根系對作物田間表現的影響。在同一土壤中種植小麥和鷹嘴豆，並保留和去除小麥的根殘。結果表明，小麥在- DR向+DR過渡期間產量的增加比鷹嘴豆更顯著。

活的腐根生態位土壤微生物基因圖譜

將宏基因組非冗餘基因與物種分類和功能資料庫（NR資料庫、KEGG資料庫、eggNOG資料庫、NOG資料庫、COG資料庫、CAZy資料庫和TCDB資料庫）比對。

圖6a稀釋曲線；圖6bKEGG注釋柱狀圖；圖6ceggNOG注釋柱狀圖

研究描述了土壤微生物微生物的多樣性和功能能力，結果證明腐根周際微生物的重要作用，腐根的存在使不同作物的根際微生物群系均勻化，腐爛根與良好的活根緊密接觸，並形成一個能降解植物根分泌物的活性微生物群系，可以通過土壤管理改良根系微生物功能，最終可以控制植物健康、生產力和糧食安全。提供受作物類型和系統理化特性調節的微生物熱點。

參考文獻

 Yi Zhou1,2, David R. Coventry1, Vadakattu V. S. R . The preceding root system drives the composition and function of the rhizosphere microbiome  by Genome Biology,2020.

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