科研 | Microbiome: 解析哥伦比亚天然土壤和农耕土壤中菜豆的根际微生物组成
编译：小憨豆，编辑：十九、江舜尧。
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现代作物品种通常在远离其野生亲缘原产地的农业管理良好的土壤中种植，这种栖息地扩张对植物微生物群组装的影响尚不清楚。该研究调查了从天然土壤到农耕土壤的转变是否影响野生和现代菜豆的根际菌群结构，以及是否导致了根际菌多样性的减少。在农耕土壤中，菜豆基因型对根际菌组装的影响比在天然土壤中更为显著。虽然在15,925个OTUs中，只有113个OTUs在天然土壤和农耕土壤中种植的八个菜豆品系共有，但这一核心微生物群占所有序列的大部分。农耕土壤中的现代品系菜豆根际有更多的OUTs，进一步分析表明，与天然土壤相比，农耕土壤中菜豆根际微生物群的相互作用复杂性降低。总的来说，菜豆从其天然土壤环境向农业土壤环境的生境扩张对根际菌多样性产生了意想不到的积极影响，并导致对根际微生物群的基因型依赖性更强。
论文ID
原名：Deciphering rhizosphere microbiome assembly of wild and modern common bean (Phaseolus vulgaris) in native and agricultural soils from Colombia
译名：解析哥伦比亚天然土壤和农耕土壤中菜豆的根际微生物组成
期刊：Microbiome
IF：10.465
发表时间：2019年8月
通信作者：Jos M. Raaijmakers
通信作者单位：荷兰生态学研究所
实验设计
在哥伦比亚西北地区选择了两种土壤进行研究，分别是天然土（演替森林）和农耕土（玉米、菜豆和马铃薯组成轮作系统的农场）。选择两个野生品系、三个地方品系和三个改良品系，它们都属于哥伦比亚中美洲遗传库，有着相同的生长海拔范围，适应于相同的气候条件和相同的生长类型。在温室条件下，将这些菜豆品系分别种在两种不同土壤类型中，在开花期，取植物根际土，进行16S rDNA扩增子测序，用的是V3-V4区扩增，最后进行生物信息学分析，解析不同类型土中，菜豆根际细菌群落结构、核心微生物组和细菌共发生网络。
结果
1 土壤和基因型影响植物生长和发育
在哥伦比亚高原地区收集天然土壤和农耕土壤，以一定的筛选标准选择了8个菜豆品系，包括野生品系、地方品系和改良品系。两种类型的土壤理化性质不同，与天然土壤相比，农耕土壤具有更高的有机物质、有效磷和钙含量，且酸碱度和阳离子交换量（CEC）也更高，而天然土壤中铁和铝的浓度较高。在开花期，收集每个菜豆品系根际土并评估几种植物表型性状。在农耕土壤中，菜豆品种根干重与开花天数差异显著，在天然土壤中也观察到基因型依赖性差异。一般而言，农耕土壤中生长的豆类种子的平均根干重高于天然土壤。最后，到达开花期的天数（R6）在天然土壤中比在农耕土壤中长。
2 根际细菌群落的多样性受土壤类型和根际的驱动
对于土壤和根际样品，质控后得到了424万读段，代表了97%序列相似性下的16,727个OTUs。进行α-多样性分析，发现以香农指数和系统发育多样性为代表的均匀度在两种土壤类型的根际样品中大体相似，而细菌物种丰富度在农耕土壤中明显较高于天然土壤。在农耕土壤中，原生土壤的多样性指数明显高于根际土壤的多样性指数。此外，还观察到，与天然原生土壤样品相比，农耕原生土壤样品的所有多样性指数都明显更高。关于β-多样性，Bray Curtis和PCoA揭示了土壤类型的显著影响。土壤类型解释了细菌群落组成总变异性的71.3%。随后，根据土壤类型对样本进行划分，并分别进行分析。对于根际菌群落结构的总变异性，菜豆基因型解释了农耕土壤中的31.2%和天然土壤中的28.3%。Unifrac指标证实了Bray Curtis指标观察到的结果。Bray-Curtis平均距离表明，同一组样品中根际细菌群落的变异性明显低于菜豆品系之间的差异。在农耕土壤中，野生菜豆A1的根际菌群落组成与野生菜豆A2相似，但与地方种和改良种的根际菌群落组成有显著差异。然而，在原生土壤中，野生和现代菜豆的根际菌群落组成没有显著差异。
图1. 农耕土和天然土中常见菜豆种质根际微生物α多样性的比较分析。
图2. 农耕土和天然土中菜豆根际细菌群落结构。
3 天然土壤和农耕土壤微生物群落的特异性差异
天然土壤和农耕土壤α多样性和β多样性的差异，以及8个菜豆品种之间的差异，使我们更深入地探索每种土壤中细菌分类群的分类特征和相对丰度的差异。两种土壤中细菌种类最多的是变形杆菌、酸杆菌和拟杆菌。然而，在天然土壤中，嗜酸杆菌门的相对丰度高于农耕土壤。在门水平上，原生土壤中的嗜酸杆菌和疣菌明显比农耕原生土壤中的丰富。在纲水平上，天然土壤中的酸杆菌亚群1、2和3较丰富，而农耕土壤中的酸杆菌亚群4和β变形杆菌较丰富。无论土壤类型如何，菜豆根际的变形杆菌和类杆菌的数量始终较丰富，而嗜酸菌和疣菌根际的数量与原生土壤的数量相比下降一致。在农耕土壤中种植的菜豆根际放线菌数量明显多于农耕土壤，而在原生土壤中没有观察到这种根际效应。在农耕土壤中生长的所有菜豆品系根际富集的放线菌中，链霉菌科和诺卡氏菌科是最丰富的一科，其中变形杆菌科、几丁质体科、鞘氨醇单胞菌科和茎杆菌科是最丰富的。在天然土壤中生长的八种菜豆的根际效应较小但显著，这可以解释为变形菌科、茎杆菌科、草杆菌科、鞘氨醇单胞菌科和慢生双胞菌科的相对丰度较高。为了进一步分析根际土壤和原生土壤微生物群落组成的差异，将读取计数的丰度拟合到几种物种丰度分布模型中。通过对AIC的比较，可以从六个分布模型中找到最佳拟合值。结果表明，种植在农耕土壤和天然土壤中的菜豆及其各自的原生土壤根际的OTU丰度分布是由基于生态位的分布解释的。
图3. 农耕土和天然土中细菌OUTs的不同丰度。
4 农耕土壤中菜豆根际菌群多样性较高
对农耕土壤中菜豆的根际菌多样性进行了比较，在属水平上对土壤类型之间以及野生和现代菜豆品种之间的根际菌群进行比较，以了解生境扩张和农业土壤管理是否会影响土壤的生长。结果表明，农耕土壤中仅存在143个根际菌属，占总属数的28.7%。选择两个野生种质（A1和A2）和两个现代种质（M3和M4）进行进一步分析，以比较根际共有和独特细菌属的数量。发现在农耕土壤中，85.9％的根际属在野生和现代种质中共有，8.7％仅在现代种质的根际中发现，5.4％仅在野生种质的根际中发现。在天然土壤中，观察到类似的趋势，84.8％的根际细菌属在野生和现代豆类种质之间共享，9.0％仅在两种现代种质的根际中发现，在两种野生种质中为6.3％。总之，发现在农耕土壤中生长的8个菜豆品系根际土壤中的细菌属比在天然土壤中更多。此外，无论土壤类型如何，作者在现代菜豆种质的根际发现了更多的细菌属。应该注意的是，对于两种土壤，菜豆根际中这些“独特”细菌属的丰度相对较低。
5 菜豆核心微生物菌群由一小部分根际菌属代表
菜豆的核心微生物菌群由16,727个OTUs中的一小部分根际菌属所代表，作者发现113个OTUs在天然土壤和农耕土壤中生长的所有8种菜豆的根际中始终存在。这113个OTUs，分类到属，仅占OTU总数的0.67%，但占所有序列的25.9%。该核心菜豆根际微生物群由61个变形杆菌组成，占平均相对丰度的68.8%，其中根瘤菌属为最丰富的菌，其次是慢生根瘤菌、伯克霍尔德菌、新生根瘤菌和鞘氨醇单胞菌。核心根际微生物群中的其他门包括酸杆菌、放线菌、疣状菌等。还对每种土壤类型进行了核心微生物群分析，以便解剖每个生境对整体核心的具体贡献。在农耕土壤中，核心的根际菌微生物群由611个OTU组成，占OTU总数的4.97%，占总数的33.07%。变形杆菌、拟杆菌和放线菌是核心内最丰富的三个门，根瘤菌又是最丰富的属，其次是双杆菌和链霉菌。在天然土壤中，核心根际微生物群由812个OTU组成，占总OTU数的12.6%，占总读数的46.4%。变形杆菌、酸杆菌、疣状菌、拟杆菌、放线菌和氯曲菌是最丰富的门。在变形杆菌属中，拉尔斯通菌是最丰富的属，其次是伯克霍尔德菌和根瘤菌。在地方种菜豆核心根际微生物群中，嗜酸菌以1、2、3亚群为主，占27.4%。事实上，只有不到3%的OTU被归类为嗜酸杆菌，占总读数的12.7%，这表明该门在天然土壤生境中具有很强的优势。总之，这些比较分析表明，在农耕土壤和天然土壤中生长的8个大豆品种中，根际中始终只有少数113个OUT一直存在。
图4. 菜豆根际核心微生物组。
6 天然土壤中共生网络复杂度较高
在土壤共生网络分析中，采用更高的共生网络复杂度来评价在天然土壤和农耕土壤中常见菜豆根际细菌类群之间相互作用的复杂性。利用SparCC计算了根际菌属的发生率之间的相关性，随后对网络进行图形推理，并估计了几种拓扑性质。农耕土壤中的根际菌网络由63个节点组成，61个显著相关性，其中只有一个负连接。总体而言，该网络结构简单，有四个主要的分类群，每个分类群只有少量OTU。对于天然土壤，获得的网络包含89个节点和176个显著相关性，其中158个正节点和18个负节点。确定了三个主要分类群，每个分类群有大量节点，每个分类群内有大量互连。值得注意的是，分类群2仅通过负相关与其他两个分类群相连。确定了两个网络的全局网络统计信息。简言之，农耕土壤的模块化程度和群落数量均高于天然土壤。与之相反，土样的平均路径长度和平均程度较高。利用中间中心性，在每个网络中找到基石物种。在农耕土壤中，溶杆菌属、根瘤菌属、念珠菌属、大田王氏菌属、地杆菌属和节杆菌属的BC值最高。在天然土壤中，最高的BC值出现在Aquisphaera、两种未分类的酸杆菌Acetobacteraceae 和 Burkholderia中。
图5. 农耕土和天然土中菜豆根际细菌的共发生网络。
结论
菜豆由天然土壤向农耕土壤的转变导致了根际菌多样性的增加。本研究中，作者发现了一个低多样性但高度丰富的核心微生物群，类似于其他植物物种，这表明在不同的农业景观中生长的植物的根际菌多样性同质化。值得注意的是，这里提出的核心微生物群分析仅基于分类法，在未来的分析中应考虑功能特征，以便更好地了解栖息地扩张对基于特征的微生物群组合的影响。与天然土壤相比，农耕土壤的网络结构更为简单，这也反映了生物均匀化的过程。
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