佳作推薦|不同環境條件下宿主植物中微生物的變化

2021-01-13 美格基因

本期佳作利用代謝組+16S的研究策略探究不同環境條件下宿主植物中微生物的變化，發現植物和微生物之間的有益聯繫可以增強植物對非生物脅迫的耐受性。原文於2020年5月於mSystems上在線發表。

不同環境條件下宿主植物中微生物的變化

Plant Hosts Modify Belowground Microbial CommunityResponse to Extreme Drought

作者：Allison M. Veach 等

期刊：mSystems

時間：2020.05

影響因子：6.519

DOI：10.1128/mSystems.00092-20

一、研究背景

氣候變化導致降水和溫度的顯著變化，預計在下個世紀將變得更加極端。微生物是生態系統中的重要成員，它們如何應對這些變化的非生物壓力源對生態系統的功能、營養物質的循環和地上植物群落的健康有著重大的影響。乾旱脅迫對微生物活動產生負面影響，但這種脅迫反應的強度可能取決於地面和地下的相互作用。這項研究表明，植物和微生物之間的有益聯繫可以增強對非生物脅迫的耐受性。

二、實驗結果

1.根代謝物分析

在不同乾旱處理組之間，幾種代謝物組在濃度上有顯著不同：酚苷、胺基酸、脂肪酸和糖醇在經歷過乾旱的植物根中產量有更顯著（p<0.05）的提升（圖1）。在乾旱條件下胺基酸濃度有明顯的乾旱脅迫與時間的相互作用，在乾旱結束時（第12天），平均而言，在乾旱條件下胺基酸濃度提升110%，；在再溼期（第13天），控制組和乾旱組的結果相似；在恢復階段（第25天），相對於對照根系，它們在乾旱條件下的產量更高（圖1D）。

圖1 不同處理條件代謝物分析

2.微生物的alpha-和beta-多樣性

有植物存在的土壤細菌和古細菌系統發育多樣性（PD）差異顯著（p<0.001）。土壤細菌和古細菌分類學多樣性（H』）僅在乾旱處理組顯著差異（p=0.005）。系統發育多樣性平均比與有植物相關的根際土壤高出8%，乾旱處理的系統發育多樣性以及分類學多樣性平均與對照相比分別低5%和2%。與土壤相比，乾旱導致根中的細菌/古菌PD和H』分別增加了21%和12%，細菌/古菌根的PD在恢復結束時比再溼潤時更大。而土壤真菌組成只隨著植物的存在而變化。在種植土壤中，細菌/古菌豐富度和多樣性指數（PD，H』，真菌H』）與代謝物功能類別沒有相關性。但在根內，細菌/古菌的PD和H』與碳水化合物呈負相關，而PD與脂肪酸呈正相關，H』與胺基酸呈正相關。根真菌H』與胺基酸呈正相關，與糖醇呈負相關。

對於土壤中的細菌/古菌，植物存在（無植物vs種植土壤）解釋了最多的變化，而時間和乾旱處理解釋了群落組成中較低的變化比例（圖2）。主效應之間的雙向交互作用均顯著（表1）。

表1 細菌、古生菌和真菌的置換多變量方差分析結果

圖2 不同處理條件下微生物系統發育多樣性和分類學多樣性變化

在土壤中放線菌門（Actinobacteria），浮黴菌門（Planctomycetes），擬桿菌門（Bacteroidetes）和 γ-變形菌綱（Gammaproteobacteria）與有植物的存在時有差異（表2）：相對於無種植土壤，種植土壤中富集放線菌門（Actinobacteria），擬桿菌門（Bacteroidetes）和 γ-變形菌綱（Gammaproteobacteria） ，而浮黴菌門（Planctomycetes）、擔子菌（Basidiomycota）和被孢黴門（Mortierellomycota）在無種植土壤中相對富集（圖3）。

表2 不同處理條件下細菌和真菌優勢菌群的變化

圖3 不同處理條件下細菌和真菌優勢菌群豐度的變化

3.在乾旱/再溼/恢復期間，OTU數量差異較大

在乾旱/再溼/恢復期間，土壤和種植土壤中有敏感型（水分脅迫減少，總數=304）和機會型（水分脅迫豐富，總數=231）細菌/古細菌OTUs（圖4），而真菌敏感型（總數=10）和機會型（總數=4）OTUs比較少。在根中，細菌僅有1種機會型OTU。真菌有19種機會型OTUs，4種敏感型OTUs。無論是乾旱還是復溼，細菌/古菌敏感型OTUs都比機會型OTUs響應更多。

圖4 不同處理條件下OUT數量的差異

三、結論與亮點

1.植物代謝組學分析表明，乾旱暴露增加了宿主對C和N代謝途徑（胺基酸、脂肪酸、酚類糖苷）的投入，無論其恢復與否。幾種代謝物與根系相關微生物的基因多樣性呈正相關，但與土壤群落的基因多樣性不相關。

2.相對於灌溉對照，土壤細菌群落組成隨著植物的存在和乾旱的變化而變化，而土壤真菌組成只隨著植物的存在而變化。然而，根系真菌群落隨著乾旱發生了強烈的遷移，而根系細菌群落的遷移程度較小。

3.細菌水分脅迫條件下OTUs的比例（乾旱富集計數）在乾燥期末期較高（~約11%），並在重溼期和恢復期後保持不變，但在有植物存在的土壤中隨時間下降。

4.對根系真菌而言，在乾旱處理後的恢復期機會性OTUs數量較高（約佔豐度的17%），雖然對土壤，特別是種植的土壤的反應相對較弱（敏感性或機會性的豐度<0.5%）。

5.這些數據表明，在極端乾旱的情況下，植物通過緊密的植物-微生物聯繫來調節土壤和與根系相關的微生物對乾旱的反應，但在極端乾旱之後，其變化軌跡隨著植物棲息地和微生物功能群而變化。

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