科研 | Nature子刊：同属植物的土壤反馈强度与根系性状及线虫有关
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植物土壤反馈的变化可以通过根系性状、演替位置和植物性状来预测。然而，目前尚不清楚亲缘关系较近的植物是否比亲缘关系较远的植物产生更多的相似的植物土壤反馈。到目前为止，只有少数研究对根际微生物组与植物系统发育的关系进行了研究。相反，大多数研究只考察了根际生物的单一群体而未包括完整的土壤根际群落。本文通过使用来自同一属的植物物种，具体确定了亲缘关系较近的植物物种是否比亲缘关系较远的植物物种具有更相似的植物土壤反馈。分别利用天竺葵属的4种本地种和4种从其他地区扩散而来的天竺葵属物种测试了系统发育距离、根的化学和结构特征、根的微生物群落和植物土壤反馈之间的关系。结果表明，根化学过程和根长比系统发育距离更能预测细菌和真菌的群落组成。负的植物土壤反馈强度与根饲线虫数量相关，而微生物组的差异性、地域性或系统发育不能预测植物土壤反馈。总体来看，根际微生物群的变化最能从根的性状来解释，而根饲线虫的丰度可以预测植物的土壤反馈。
论文ID
原名：Root traits and belowground herbivores relate to plant soil feedback variation among congeners
译名：同属植物的土壤反馈强度与根系性状及线虫有关
期刊：Nature Communication
IF：13.69
发表时间：2019年
通信作者：Rutger A. Wilschut
通信作者单位：Department of Microbial Ecology, Netherlands Institute of Ecology
实验设计
1 植物种类和发芽
收集了天然天竺葵物种4种以及荷兰自然种群中扩大范围的4个物种。所有的乡土种均自然地生活在荷兰，而牧场扩张者在20世纪晚期在西欧西北部建立的种群，或者已经出现在一些受限制的地区，并在20世纪的最后几十年大力扩大了他们的活动范围。在实验中将种子在10%的漂白剂中洗涤3分钟，然后用脱矿水冲洗，使其在玻璃珠上发芽。
2 土壤改良试验
植物土壤反馈实验分为两个阶段。在调节阶段，将原农田的砂质粘土进行均质化制备出共同的背景土，然后用γ-灭菌法对其进行灭菌。为建立独立的重复，从同一河谷的5个不同地点收集了田间土壤，每个地点都有4个不同的子样本。将这些子样品合并，筛分并均质化，然后在整个实验中将混合物保持分开，作为五个重复的土壤。对于每个重复的土壤，在16个2.5升盆中装入1.8千克灭菌背景土壤和200克筛分（1厘米）活土壤的混合物。对于每一种复制土壤，8个花盆中都种植了8种天竺葵中的一种，而其他花盆则没有种植。然后将所有花盆随机放置在一个暖室中(16/8 h光照/黑暗，20/15℃)，设置5个复制区。在接下来的14周内，花盆每周浇水两次，土壤含水量保持不变(约15%)。然后，把嫩枝剪下来，晒干，称重，同时把根洗干净，晒干，称重。从每个容器中收集土壤并将其分离，然后将一个子样本保存在-4℃处进行DNA提取。
3 反馈实验
在第二阶段，将第一阶段每个盆的土壤分别转移到1升的罐中，灌满830 g土壤(含水量约15%)，并与第一阶段采用相同的随机区组设计。在第一阶段中由植物调节的土壤在第二阶段中种植具有相同物种的幼苗。每一个土壤未经处理的花盆也种植了这八种植物中的一种。采用与第一阶段相同的浇水方式。为弥补营养有效性的差异，从第2周开始，所有的花盆每周都要接受10ml 25%的霍格兰溶液，这样所有的植物都有充足的可用营养。在植株生长7周后，按上述方法收集芽和根。
4 16S和18S rRNA基因扩增子测序
利用16S rRNA技术测定原核生物(细菌和古生菌)的群落结构。利用18S rRNA技术对真核生物群落结构进行鉴定。
5 结构性根源特质
对于每一种植物，在上面所述的无菌土壤中分别生长三株幼苗。生长4周后，将所有植株贮藏于4°C，直至根系性状分析。在此分析之前，将嫩枝修剪并在70℃下干燥，直到重量不变，而根系则被仔细清洗。然后，使用爱普生perfect V850 Pro扫描仪(爱普生美国公司)对单个根系统进行碎片化扫描。随后使用WINRHIZO Pro v进行扫描分析。用于总根长和平均直径。扫描后，将根系干燥至恒重称重，确定根/枝比。
6 根化学分析
对于所有植物物种，从无菌土壤中收获四个5周龄的植物，之后仔细清洗它们的根系。然后使用实时直接分析（DART）质谱法来确定所有植物物种的根化学谱。
7 线虫繁殖实验
制备了上述灭菌底土。40个1升的花盆里装满了830克消毒过的背景土，并被分配到八种植物中。每盆种植一株幼苗后，将花盆随机分组，置于与上述相同的温室条件下。在植株生长2周后，在每个植株的主根附近接种含有约400 M. hapla幼体的悬液。采用与反馈试验相同的灌溉制度。12周后，剪掉嫩枝，晾干，小心地将根系从土壤中分离出来。所有土壤从每个花盆单独袋装，并储存在4c，直到线虫提取。随后，用Oostenbrink elutriator提取线虫并浓缩至10ml。之后从根中提取线虫。为此，所有植物的根都被分成两部分，每一部分都称新鲜。然后，将一部分根在70摄氏度下干燥，直到恒重，而另一半则被切成12厘米的小块，放入搅拌器中4周，以从根的内部提取线虫。2周和4周后，从悬浮液中提取线虫悬浮液，混合后浓缩至10ml。然后用逆光显微镜对两种线虫样本进行计数。利用总鲜重和干鲜根重比，估算了根内线虫总数。
8 其他实验处理
质谱数据处理；生物信息学；土壤DNA的提取以及系统发育重建。
图1 以极低的P供应（<1μm）下澳大利亚的山龙眼科和南非莎草科植物水培生长中的根系形态（引自Lambers,H.,et al.,2008）
实验内容
研究结果表明，8种同源天然和气候变暖驱动的范围扩大的植物物种的根际群落组成的变化可以通过其根化学特征和形态根性状的变化来最强烈地解释。真菌群落组成的差异，至少在一定程度上可以用系统发育距离来解释，这可能是由特定根长的系统发育信号所决定的。真菌群落因根长而异，这可能与植物与根相关真菌(如AMF32)的相互作用有关。根化学和细菌群落组成之间的联系与以前的研究一致。有趣的是，不同植物物种间根际群的组成存在明显的共变异性，特别是在细菌和原生生物之间。这可能是由这两个种群之间的摄食关系所解释的，这表明原生动物的摄食物种主要以细菌为食。
图2 植物根系结构（引自Canarini,A. et al.2019）
植物土壤反馈的变化不能直接与根际群落的组成相联系，而是与拮抗性土壤生物群落的丰度有关，特别是以根为食的线虫。这些线虫群落以根结线虫为优势种，根结线虫是危害最大的线虫之一，植物土壤反馈与根结线虫的繁殖密切相关。这表明，在这项研究中，驱动植物土壤反馈的是地下天敌，而不是专家，而专家们被认为是詹森康奈尔动力学的基础，该动力学已被证明与系统发育距离有关
图3 根际相关联系。根际群落与细菌，线虫，原生生物和真菌的相似性（均基于OTU;每个物种4-5个重复）和根性状变异（根化学谱）之间的相关性（显示p <0.1的所有相关性）；每个物种重复4次），特定根长（每个物种重复3次），以及根际群落的不同。用实线描绘显着的相关性（基于Mantel测试），而用虚线描绘趋势（p> 0.05，<0.10）。线宽表示基于r值的相关链的相对强度。
尽管根系线虫已被广泛认为是主要的农业害虫，但我们在此表明它们也可能影响自然系统中的植物性能。进一步的研究可能会考虑植物种类和土壤类型之间的相互作用，增加重复数量来解释变异，以及接种试验，以便通过实验验证植物喂养线虫在植物生长减少中的作用。此外，应考虑更深入的测序，线虫特异性引物的使用，或未来研究中的长读序列，以增加分类单元采样和针对根系线虫以及其他土壤病原体的分类学解决方案，以便潜在确定由不同植物物种特有的分类群。
有趣的是，在具有最高线虫数量的植物中发现了潜在植物病原体的最高相对丰度，并且经历了最强的植物土壤负反馈。这表明这些植物通常对土壤中的各种天敌的防御能力较差。除了生物参与者之外，观察到的负植物土壤反馈可能在某种程度上是由对照和条件盆之间营养物可用性的差异引起的。虽然我们添加了Hoagland解决方案以弥补常量营养素的缺乏，但不能排除反馈阶段的植物仍然缺乏某些微量营养素。
图4 植物-土壤反馈。a表示8种天竺葵在土壤被处理过(绿色)和未处理(白色)中的植物生物量（每个物种N = 5）。本地植物物种是G.dissectum（DIS），G.molle（MOL），G.pusillum（PUS）和G.robertianum（ROB）和范围扩大的植物物种是G. lucidum（LUC），G.pyrenaicum（PYR），G.purpureum（PUR）和G. rotundifolium（ROT）。小写字母显示无条件土壤中植物物种之间的事后测试结果。b表示平均植物土壤反馈的绝对物种间差异（Ln（生物量调节/生物量控制））与使用Mantel检验检测的成对系统发育距离无关。
研究表明，在一组同源物种中，即使是亲缘关系最密切的物种(如天竺葵和紫花天竺葵)，其根际群落和植物土壤反馈效应也比亲缘关系较近的物种差异更大。因此，我们的研究对利用系统发育距离来解释密切相关的植物物种的植物土壤相互作用模式提出了挑战。相反，我们证明非系统遗传保守的根系性状可能更有效地预测植物与土壤的相互作用。因此，为了全面了解植物土壤反馈在亲缘关系较近、亲缘关系较远的植物之间的变化，需要将系统遗传保守性状与非保守性状相结合。
我们的研究结果提出了一个问题:在何种条件下，系统发育距离可以解释密切相关物种之间植物土壤反馈的变化。所研究的天竺葵种类在它们所喜欢的非生物条件下有所不同(补充表4)，而且并非所有天竺葵都在相同的田间条件下同时发生。这表明，它们的根系性状是在不同土壤群落存在的情况下选择的，这些土壤群落可能与非生物土壤条件共同变化。在相同的非生物土壤条件下共同生长的同种植物可能面临更相似的选择压力，反过来，它们的根系特征也可能更接近它们的系统发育历史。此外，我们的研究中已经比较了来自不同属的具有相似根系特征或相似生活史的植物物种可能比来自不同环境的亲缘关系较近的植物物种具有更相似的植物土壤反馈效应。
图5 植物土壤反馈的预测因子。八种天竺葵物种的植物土壤反馈（ln（生物量调节/生物量控制）;五种独立复制土壤的平均值）与根系线虫，植物病原体和丛枝的相对丰度（％18S rRNA基因读数）之间的相关性及处理过的土壤中的菌根真菌（AMF）。统计学差异采用Pearson相关检验。给出了皮尔逊相关检验的皮尔逊相关系数r和p值。
结 论
在同一植物属内，亲缘关系较近的植物物种没有比亲缘关系较远的植物物种具有更相近的微生物群落和植物土壤反馈。敌人（如线虫）释放不可能是天竺葵物种成功扩大它们的范围的基础，因为本土和扩大范围的植物物种的表现是相似的。根系性状是根际群落组成和根饲线虫数量的最佳预测因子，而根际群落差异是预测植物土壤反馈强度的最佳预测因子。
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