科研 | Nat. Commun. 热带土壤不同植物的核心根系微生物群的进化保护
本文由熊志强编译，董小橙、江舜尧编辑。
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导 读
对植物根系微生物的非培养分子调查表明，土壤类型对微生物群落的影响通常比寄主系统发育对微生物群落的影响更大。但这些研究主要集中在模式植物和模式作物上。在此，作者使用16S rRNA基因扩增技术分析了包括番茄红素、蕨类植物、裸子植物和被子植物在内的多个植物门的根系微生物。通过研究证实，土壤类型是相关根际细菌群落组成的主要决定因素，但根际微生物同样也与植物系统发育密切相关。与对照土壤微生物相比，共有47个细菌属与根际相关联，这其中包括公认的与植物相关的细菌属如Bradyrhizobium，Rhizobium以及Burkholderia，同样也包括未分类的微生物如WPS-2，Ellin329以及FW68。基于研究作者认为这些分类群共同构成了一个进化上保守的核心根微生物群。这支持了这样的推断，即在4亿年的历史中，核心根际微生物群是与陆地植物一起进化而来的。
论文ID
原名：Evolutionary conservation of a core root microbiome across plant phyla along a tropical soil chronosequence
译名：热带土壤不同植物的核心根系微生物群的进化保护
期刊：Nature Communications
IF：12.353
发表时间：2017
通信作者：Susanne Schmidt，Philip Hugenholtz
通信作者单位：The University of Queensland
实验设计
土壤实验样本采自澳大利亚昆士兰州科洛拉大沙质国家公园，作者于2013年3月在夏季降雨后对不同时间序列土壤样本进行了取样，并从形态学上对植物进行了鉴定，共获得31种植物根系微生物群落。其中较小的植物(10~30 cm)被连根拔起，进入根系进行取样，而较大的植物则被部分挖掘以获得根系。相应的土壤样本从靠近取样植物的土壤(上层10厘米)中采集。同时在可能的情况下，为每种植物和土壤样本收集至少三个重复。随后通过测定土壤营养元素，对土壤样本进行中DNA提取并进行测序分析，结合多元方差分析，对植物根系核心微生物进行了研究。
实验内容
1 Cooloola研究区域概况
实验样本采自澳大利亚昆士兰州科洛拉大沙质国家公园的具有年代序列特征的海岸沙丘样本。如图1所示，时间序列由跨越约10公里横断面的6个沙丘系统组成，它们中的每一个都含有不同的系统发育植物区系。作者从4个不同沙丘系统中选择了6种植物群落（图1）。在这6个植物群落的31种植物中收集了470个样本（235个根际和235个相关对照土壤）。基于DNA提取和16S rRNA基因扩增，分别为183个根际和225个土壤样品构建了细菌群落图谱（图2）。通过移除嵌合序列，对其余数据进行错误校正，共获得3,598,535个序列，基于99%相似度，这些序列共获得177,758个操作分类单元（OTUs）。
图1 Cooloola研究区域概况。澳大利亚昆士兰州科洛拉大沙质国家公园取样的6个植物群落(a-f点)的地理位置与沙丘系统和植被类型有关。
图2 成功获得微生物群落特征的植物种类和根际样本数目。主要植物门之间的关系用图形左边的一个分支图来表示。
测定了每个植物群落5个重复土壤样品的理化特性以及微生物生物量和活性。每一块土壤重复代表一个三到十个土壤样本的集合。正如所预料的那样，土壤上层的化学特征在不同地点之间有差异；但是，pH值在4.1到4.6之间是相对均匀的，这是世界上约36%的热带陆地面积的正常范围。在较年轻的土壤中检测到较高浓度的金属（铝、铬、铁、钾、镁、锰、钠、镍、锶和锌），因为这些元素覆盖了形成原始沙丘基质的硅砂颗粒，但随着时间的推移从上层土壤层中消失（图3）。年龄最大的土壤是最具养分依赖性的，因为由于野火和降雨将养分淋入根外的深层土壤，造成了养分的净流失。土壤微生物量和总酶活性在中期演替雨林中达到峰值（点c和d），而在年龄较老的土壤样本中土壤磷酸酶活性较高，表明微生物对磷的获取投入增加。
图3 土壤化学特征、微生物生物量、总酶和磷酸酶活性测定。所示值为每个植物群落取样地点的5个土壤样本的平均值，每个样本由3至10个单独的土壤组成。颜色阴影表示浓度、生物量或酶活性，并以标准化的z评分为基础。平均值以上的值为红色，低于平均值的值为蓝色。
2 土壤微生物群落
在所有年代序列的土壤样品中，共检出17,429种细菌OTUs，这些细菌在至少一个样品的相对丰度大于0.1%，其中只有20.5%的细菌分布在所有土壤中，但占平均相对丰度的76.1%。与之前的研究相一致，相对丰度较高的细菌包括Alphaproteobacteria，Actinobacteria以及Acidobacteria。通过变异多元方差分析方法（PERMANOVA），我们确定了土壤化学特征和植物系统发育对土壤微生物群落组成变化的相对贡献。首先，利用主成分分析法(PCA)总结了土壤元素组成(C，N，P，K，S，Mg，Mn，Fe，Al，Zn，Na，Cu，Ni，Ba，Ca，Cr，Sr)的变化。这一分析反映了土壤化学特性在前两个轴上的综合变异率为76.3%，并将其作为变异多变量方差模型的预测变量（图S3a）。其次，利用主成分分析(PCA)对植物系统发育亲缘关系的变异进行了总结（图S3b）由植物核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶基因(rbcL)序列多序列比对产生的距离矩阵表示。这一分析捕获了前两个轴上植物间系统发育相关的83.1%的变异，与代表土壤化学特性的变异相结合，被用作解释土壤微生物群落组成的周转的预测变量。基于PERMANOVA分析表明，土壤微生物群落组成的变化与土壤化学特征显著相关，但与植物系统发育无关（表1a）。基于聚类分析、主成分分析（PCA）和冗余分析(Rda)排序得到了一致的结果，即土壤群落按土壤类型主要聚集在一起，热带雨林土壤群落的组成与其他土壤不同。α多样性指标表明，热带雨林土壤群落的系统发生多样性最大，而观察到的物种丰富度和估计丰富度（Chao 1）在所有土壤上都具有可比性（图4）。
图S3 标准化土壤化学特征的主成分排序（a）以及基于rbcL基因的植物系统发育距离（b）。从这些主成分排序中提取主成分评分，将微生物群落组成与土壤化学特征和寄主系统发育联系起来。
表1 土壤和植物系统发育对土壤和根系群落的影响。
3 根际相关微生物群落
基于在至少一个样本中相对丰度大于0.1%，我们在根中检出细菌15,991株细菌OTUs。与块状土壤相比，根系群落的物种丰富度和多样性一直较低（p<0.001，Mann-Whitney-U检验）。这一趋势包括雨林中的根细菌群落，尽管热带雨林土壤中微生物群落的系统发育多样性高于其他地点（图4）。根系群落的多样性指标也在很大程度上类似于植物排序。在植物门之间，基本番茄红素系的根系群落虽然没有统计学意义（Kruskal-Wallis检验），但与其他门相比，估计的物种丰富度和系统发育多样性较高（Kruskal-Wallis检验）（图S7）。这些较高的值可能反映了较新的植物在根系群落进化之前较少选择的根微生物群。但仍需要进一步的研究以证明这一猜想。在较高的分类等级（门和纲）中，根际细菌群落彼此相似，与块状土壤相似，群落以Alphaproteobacteria（根相关群落平均相对丰度为41.7%）、Actinobacteria（19.1%）和Acidobacteria（19.1%）为主。
图4 6个采样点Cooloola根和块状土壤微生物群落的α多样性度量。不同分组见图1所示。图a，b，c分别表示观察到的物种丰富度，估计物种丰富度(Chao 1)以及Faith’s系统发育多样性。白色矩形代表块状土壤群落，灰色矩形代表根系群落。矩形内的中线代表中值，矩形的两端代表上四分位数和下四分位数。上晶须延伸到1.5×上四分位数范围内的最高值，而下部晶须延伸到1.5×下四分位数范围内的最低值。超出此范围的值由黑点表示。根样本总数为183份，土壤样本总数为225份。
图S7 所有植物群落的平均观察物种丰富度、估算物种丰富度(Chao 1)和Faith’s根系微生物群落的系统发育多样性(按植物门分组)。
为了确定土壤化学特征和植物系统发育对根系细菌群落组成变化的相对贡献，我们对块状土壤采用了互生多元方差分析方法。根系细菌群落组成与土壤化学特征和寄主系统发育密切相关（表1b）。相反，块状土壤细菌群落的组成仅与土壤化学特性密切相关（表1a）。进一步支持了寄主系统发育与根系细菌群落组成之间的联系(相关系数=0.20，p=0.02，排列次数=3000)和Mantel检验(Spearmanr=0.11，p=0.018)，表明了概述根系细菌群落组成变化与植物系统发育距离变化的排序之间存在较小但显著的相关性。这些发现表明，在Cooloola的时间序列中，根细菌群落与宿主的进化是一致的。
4 Cooloola核心根微生物群
基于三种不同的分析方法发现，除了STAMP中显示细菌属Methylovirgula外，这三种分析的核心根OTUs在系统发育上完全重叠。根据分析结果，核心根数量占根系群落的33.2%。其中一些是著名的植物根相关细菌，包括Bradyrhizobium，Rhizobium，Burkholderia以及Azospirillum。其中Bradyrhizobium和Rhizobium最著名的豆科植物根瘤菌，它们为寄主提供生物固定氮。在本研究中，多个植物门的根瘤菌相对丰度较高，表明它们与非豆科植物的关联可能比先前所了解的更为广泛。Cooloola根系核心微生物群中的其他相对丰富的谱系包括Mycobacterium和Rhodoplanes（表2），同样在已知植物根系中检测到，但它们的生态和功能尚不清楚。在根际微生物学中未得到很好承认的具有培养代表的核心属，包括Actinospica，Asticcacaulis以及Salinispora。核心微生物还包含尚未命名，为分离的微生物类群，包括WPS-2等。
表2 Cooloola核心根微生物类群分类。
5 生物地理学因素
生物地理学通常是形成根际微生物组成的一个重要因素；因此，本研究中确定的Cooloola核心根际微生物群（表2）可能是特定于该地区或澳大利亚大陆。为了评估潜在的生物地理变异，我们将澳大利亚和其他国家种植的植物的核心根类群与根及相关的大量土壤微生物群进行了交叉参照。我们从这些研究中重新分析了16 SrRNA基因的扩增数据，通过本研究中使用的指示种方法预测核心卵母细胞的一致性。多项研究共享了几个核心分类群，包括Streptomyces，Mesorhizobium，Agrobacterium，Rhizobium，Sphingomonas以及Rubrivivax，表明这些分类群可能是全球重要的根相关细菌。然而，在交叉参照的研究中，其他Cooloola核心分类群还没有被识别出来，这可能表明了区域差异，此外研究之间的方法差异(例如dna提取方法)也可能是构成差异的一个重要因素。从这些比较中，我们预测全球植物根微生物群的核心集将比本研究中提供的清单受到更多的限制。
结 论
本研究通过对进距离生长的多个植物门的植物物种进行调查，确定了根系群落组成与宿主系统发育之间的显著相关性，同时确定了以少数细菌类群为主导的核心根微生物群。这些发现表明，在现代植物谱系进化之前就已建立了一个核心根细菌群落，而与根相关的细菌群落已与其植物宿主一起进化。因此，根微生物群的核心功能也很可能是保守的。已有研究发现了一种与水稻、黄瓜和小麦根瘤中细菌运动、氮代谢、铁的获取和代谢以及蛋白质分泌系统有关的共同功能。基于这些研究，本研究提供了一份研究其特定植物微生物相互作用的细菌谱系清单，包括根际吸收、持久性、功能和周转，其知识可用于提高农业作物生产力。
评 论
本研究中，作者利用16S rRNA测序技术，探究了不同植物根系微生物的变化情况，同时结合多元方差分析，探究了土壤化学特征和植物系统发育对土壤微生物群落组成变化的相对贡献。通过研究作者进一步证实了根系微生物随宿主共同进化。基于作者的研究，为植物与其根系微生物互作提供了新的认知。评价仅是小编的个人看法，欢迎大家一起进行讨论。
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