编译：小憨豆，编辑：小菌菌、江舜尧。
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导读
植物土壤是农业生产力的关键组成部分，土壤微生物群决定了许多重要植物营养素的可用性。土壤的农业驯化，即将以前未开垦的土壤转变为耕作状态，经常伴随着单一栽培方式。但是，对于土壤驯化后持续栽培如何改变土壤原核微生物群落结构，包括作物在多大程度上影响土壤微生物群落组成，以及由于栽培引起的微生物群落组成的变化如何影响作物性能，人们知之甚少。
本研究表明：
①主要粮食作物水稻在淹水条件下，土壤细菌和古细菌群结构往一致方向转变与水稻的连续单季栽培（>8个生长季节）与有关，同时连续单作也驯化了以前未开垦土壤的微生物群。
②除了农业耕作方式的潜在影响外，作者还证明，水稻本身是微生物群驯化过程的重要驱动力，它通过有选择地富集特定类群而发挥作用。
③此外，作者还发现，由水稻栽培驯化的土壤微生物群，通过对水稻幼苗活力的负面影响，有助于植物-土壤的反馈。
原名：Soil domestication by rice cultivation results in plant-soil feedback through shifts in soil microbiota
译名：水稻栽培对土壤的驯化作用通过土壤微生物群的转移实现植物-土壤的反馈
期刊：Genome Biology
IF：14.028
发表时间：2019.10.24
通讯作者：Venkatesan Sundaresan
(1)长期的水稻种植是否改变了土壤微生物组的细菌和古细菌组成?(2)水稻本身是否是微生物水平上土壤驯化过程的驱动因素?(3)驯化土壤微生物群落与未驯化土壤微生物群落相比，对寄主植物活力的影响如何?这些结果为水稻的持续栽培对细菌和古土壤微生物区系影响以及通过农业进行土壤驯化对水稻植株活力的影响提供了见解。a. 利用16SrRNA基因分析了两种驯化和两种未开垦土壤中生长的水稻植株的根际和根内微生物，来探究土壤栽培历史如何影响根系微生物群落的组装。此外，对未种植的散装土壤取样，以表征土壤类型之间的固有成分差异。种植的和未种植的盆栽土壤都置于受控的温室环境中。b. 本地植物研究:水稻(Oryzasativa)、大蕉(Heteranthera limosa)、莎草(Cypeus iria)和红茎(Ammania coccinea)的根际和根内是16S rRNA基因，目的是探索单作作物和生长在同一水稻田的本地其他物种之间的差异。此外，研究收集了大量土壤样本来探究水稻和其他寄主微生物群落的组成关系。c. 幼苗活力研究：为了分析不同栽培历史的土壤微生物群落对植物生长的影响，水稻植株生长在经驯化、未栽培或中间土壤微生物接种处理的土壤基质中。作为对照，添加生长在无菌接种处理的基质中的植物，以考虑任何残留的非生物变异造成的影响。此外，对一部分植物的根内微生物进行了16S rRNA基因分析，以评估其群落结构。图中每个图下的表格表示每个处理/样本类型组合的重复数量。BS、RS和ES分别代表块状土壤、根际和根内层群落 ; ES1和ES2分别代表从第一次和第二次幼苗活力试验中收集到的根内群落。为了评估作物作物水稻连续单作对根际细菌和古细菌多样性的影响，我们研究了在温室条件中淹水条件下种植和不种植水稻的非根际土、根际和内生群落中原核生物的分类组成。栽培土壤(从这里被称为驯化土壤)是从加利福尼亚的田里获取的，有超过8个季节的水稻单作栽培，而未耕作的土壤是从靠近稻田的两个未开垦地获得的。来自每种驯化和未耕种土壤的土壤理化性质表明，是地理特征而不是土壤历史在很大程度上决定了土壤化学性质。与我们先前的结果一致，使用Bray-Curtis分析发现根系不同取样部位对微生物群落有显著的影响。从未开垦土壤中获得的根相关微生物群与驯化土壤中的根相关微生物群有显著差异和聚集(图1A)。土壤历史与根系不同取样部位之间存在显著的交互作用。在计算其他不同的度量标准时，也观察到了类似的模式。虽然根系不同取样部位原核微生物区系受土壤栽培史的影响显著，但根际群落受土壤历史的影响大于根内群落。此外，我们还观察到，与驯化土壤相比，未开垦的非根际土、根际和内生微生物群的变异更大。由于种植在土壤中的植物可能对土壤微生物群落组成有贡献，因此，未耕作土壤之间的变化可以通过不同地点之间植物覆盖的差异来解释。 从非根际土到根际群落的组成转变是根微生物组组装的第一步，涉及宿主介导的特定土壤OTU的募集和消耗。为了评估这种根际效应是否显示出基于土壤驯化状况的差异趋势，我们比较了整个耕作历史中根际与非根际土群落之间的成对差异。相对于驯化的样品，未开垦的根际微生物群与各自的散装土壤对照相比表现出明显更大的变化（图1b）。这一结果表明，在单作条件下，土壤群落可能逐渐重组为一种类似于根际群落中观察到的组成状态。比较不同的土壤历史类型，我们发现根际原核微生物区系比非根际土样品的相似性更大（图1c）。我们注意到，对土壤历史类型进行比较时，这并不是根际群落显示出比非根际土群落少的变化的影响。这种模式表明，根际微生物组的获取减少了驯化和未耕种的非根际土群落之间固有的组成差异，因此可以反映在少于一个生长季节内土壤驯化的开始。 接下来，我们确定了导致在驯化和未耕种土壤中生长的植物之间获得的微生物组差异的OTU。我们使用DESeq2来鉴定在驯化土壤与未耕种土壤中生长的水稻的根际不同部位中富集或减少的微生物。因为该实验是分两批进行的，所以我们分别对每个实验批进行了建模，发现在批处理之间，每个驯化和未耕种土壤的根际不同部位中OTU的重叠都明显丰富。我们发现，在驯化土壤中生长的植物根际不同部位中总共富集了140个特异的OTU，而在未经耕种的土壤中则特异富集了256个OTU。土壤耕种历史对不同门类的OTU产生了不同程度的影响，广古菌门、装甲菌门、酸杆菌门、δ-变形菌门、绿弯菌门、拟杆菌门和泉古菌门都在驯化土壤中生长的植物不同取样部位中富集，而γ-，β-和α-变形菌门、芽孢菌门、浮生菌门和放线菌门在从未经耕种的土壤中组装的微生物群落中的比例更高。甲烷古细菌富集在驯化土壤与未耕种土壤中生长的水稻植物的根际不同取样部位中。综上所述，这些观察结果支持了以下假设：水稻种植“驯化”了土壤环境的微生物组，使其与水稻根际微生物群落更加相似。稻田土壤驯化可能通过多种机制改变了现有的土壤微生物。洪水、化学肥料和农药的添加以及耕作造成的机械破坏都可能会影响土壤的理化性质，因此可能会重塑微生物群落。此外，与水稻根部的宿主-微生物相互作用，以及密集而连续的单一种植，在将土壤原核生物群落从预培养状态转变为驯化状态方面也可能发挥重要作用。为了解决这一假设，即土壤驯化可能是由于宿主微生物与水稻根系的相互作用而导致的，我们将水稻的根系相关微生物群与在相同淹没和管理条件下在水稻中生长的三种本地植物物种（车前草、香附草和可可西米）的微生物群系进行了比较。Bray-Curtis的主坐标分析（PCoA）显示，样品可以通过根际不同取样部位和植物物种区分（图2a）。根际不同取样部位与植物物种之间存在显著的相互作用，表明不同植物微生物群之间的差异程度取决于根系。我们比较了每个取样部位之间宿主物种对微生物组组成的影响大小，发现根内微生物群受宿主物种的影响比根际微生物组稍大。在根际和根内，水稻植物似乎都具有与每种原生植物不同的微生物群，即原生植物所支持的微生物群落彼此之间比与水稻更相似。我们进一步证实，从分析中排除水稻植物后，寄主植物物种解释了观察到的群落变异的很大一部分。这些结果表明，水稻支持与根系相关的微生物群落，而该微生物群落与同样在稻田中淹没生长的其他天然植物不同，每种天然物种都有一些与其他调查的天然物种不同的微生物群落。PCoA的另一个观察结果是，与本土种植植物样品相比，水稻根际样品聚集在靠近稻田非根际土样品的位置（图2a）。直接比较根际群落与非根际土的差异表明，与本土种植植物相比，水稻根际微生物群落与非根际土群落具有更大的相似性（图2b）。综上所述，这些观察结果表明，除淹水和其他耕作方式外，水稻还可能通过根的选择性富集和减少微生物类群来驯化土壤微生物。接下来，我们通过使用DESeq2检查哪些微生物具有相对不同的相对丰度，来研究哪些OTU将水稻微生物组与本土种植植物区分开来。通过确定与本土种植植物相比水稻中通常富集或消耗的微生物，我们确定了一组核心的水稻富集和消耗的微生物。根际中富集水稻核心的微生物属于酸杆菌门、绿弯菌门、芽单胞菌门和泉古菌门。在根内富集δ-变形菌门、硬壁菌门、广古菌门、绿菌门和螺旋体门。另一方面，本土种植植物的根际核心微生物属于β-变形菌门、疣微菌门、拟杆菌门、浮霉菌门和γ-变形菌门，内生核心微生物属于β-变形菌门和γ-变形菌门。图2: 水稻在淹水稻田中生长与本地种植物种的根际微生物在组成上有着明显的区别甲烷古细菌是稻田甲烷排放的重要原因。在一组差异富集的微生物中，我们发现了7个属于产甲烷类群的OTU，特别是在水稻根际中丰富了8个OTU，在根内中有8个OUT，四个OUT在根际和根内中都存在。在根际中检测到的36个产甲烷的OTU中，有12个在水稻根际富集核心菌群中（图3a）。同样，根内在31个可检测的产甲烷OTU中，有11个在水稻根际富集核心菌群中（图3a）。与水稻相比，其他种植植物中无法鉴定出任何产甲烷的OTU。接下来，我们分别比较了水稻和本土种植植物根系间产甲烷菌的相对丰度。与非根际土和根内群落相比，水稻根际具有较高的产甲烷菌相对丰度，类似于我们和其他人先前报道的结果。但是，当我们在本土种植植物的根际不同取样部位之间进行相似的比较时，我们发现非根际土中的产甲烷菌含量明显高于根际和根内。总之，这些结果表明，在淹水条件下，水稻在根际中富集产甲烷古菌。甲烷营养细菌使用甲烷作为能源，从而减少了甲烷的排放。在根际数据集中没有发现水稻特有的甲烷营养型OTU，而在水稻核心富集的根内微生物群中只有一个甲烷营养OTU，尽管这种特殊的OTU是我们根内数据集中最丰富的甲烷营养细菌（图3b）。本土种植植物的核心微生物包含更多的甲烷营养细菌，在根际发现了2个甲烷营养OTU，而在根内发现了3个。本土种植植物的核心菌群中甲烷营养细菌是根际和根内数据集中最丰富的甲烷营养生物。 由于总的CH4通量是产甲烷与甲烷营养微生物活性的函数，因此我们接下来比较了每种植物物种中产甲烷古细菌与甲烷营养细菌的相对丰度比。与根内相比，根际通常支持更高的产甲烷菌与甲烷营养菌比率（图3c）。这是可以预期的，因为在充满水的缺氧环境中，根系中的氧气含量最高，而在有氧条件下，甲烷营养菌会繁盛。我们发现，与在相同环境中生长的本土种植植物相比，在根际和根内，水稻的产甲烷微生物比甲烷营养细菌显著更高。原生植物在根际和根内的平均比率均<1，而水稻的平均比率均<1。在不了解我们数据集中甲烷源和甲烷营养菌的活性水平的情况下，就水稻和本土种植植物作为甲烷生产者或甲烷消耗的效率而言，不可能得出明确的结论。然而，与本土种植植物相比，这些数据与水稻根微生物组在稻田CH4生产中的主要作用相一致。图3: 水稻和本地种植物种根相关群落中产甲烷古菌和产甲烷营养细菌的富集对比3 水稻核心富集的微生物在驯化土壤中表现出富集作用以上结果表明，与在相同环境中生长的本土种植植物相比，水稻获得了独特的根系相关微生物。此外，结果表明，水稻种植与土壤微生物群从野生状态到驯化状态的重大转变有关。尽管淹水和养分添加可能在稻田土壤的驯化中发挥了作用，但假设水稻本身是通过选择性招募和消耗特定微生物来驯化土壤的重要因素。为支持该假设，我们可能期望驯化的土壤富集的OTU和水稻核心富集的OTU重叠。我们将驯化土壤组装的微生物群落中显著富集的OTU与水稻核心富集微生物进行了比较，在256个独特的OTU中，这些OTU富含来自驯化土壤的微生物群落，48个OTU与水稻核心菌群的分类单元重叠（图4）。给定两个数据集之间的微生物群落对比，这种重叠显著大于偶然的预期。在重叠的OTU中，有两个占优势的产甲烷古菌类群Methanocella和Methanosarcina。在本土种植植物富集的OTU中，只有一个与驯化的土壤富集的OTU重叠，有12个与未耕种的土壤富集的OTU重叠。考虑到种植本土植物实验是在美国阿肯色州进行的，但是用于土壤驯化实验的土壤是从加利福尼亚州收集的，因此水稻核心菌群的OTU和驯化的土壤OTU之间的重叠程度令人惊讶。这些结果支持这样的假设，即水稻将驯化的田间土壤中的微生物群显著转移到了具有水稻根部特征的组成上。4 与未耕种的土壤相比，驯化的土壤使水稻幼苗活力降低在确定土壤耕种历史会影响水稻根系相关微生物群的组成后，我们接下来通过两个独立的实验研究了驯化和未培养的微生物群对幼苗活力性状的影响。土壤养分分析显示，土壤化学随地理变化而有所不同。因此，为了避免混淆非生物和生物因素，我们在接种了土壤来源微生物悬浮液的普通生长基质中种植了水稻。此外，为了确认观察到的效果是由于微生物菌群接种物中的成分差异而不是残留的非生物变化引起的，我们在模拟接种了无菌悬浮液的基质中种植了植物。在第一个实验中，粘土接种了来自两种驯化土壤和三种未经耕种土壤的微生物群落。另外，从一个试验田中收获了第六种微生物接种物，该试验田在某些夏季种植水稻，而在其他夏季仍保持休耕状态，因此代表了中等土壤类型。与未栽培和中间微生物群相关的植物相比，用驯化的土壤微生物群生长的水稻幼苗表现出降低的单株鲜重、干重和株高（图5a）。在模拟接种的底物上生长的植物显示出均匀的枝条生物量和长度，表明未耕种和驯化的土壤接种物之间的差异本质上是生物的。在第二个实验中，向UC Mix III（一种植物生长基质）接种了两种驯化和两种未经耕种的土壤。结果表明接种物生长的植物在土壤耕种历史上有显著差异：从驯化土壤中接受接种物的植物与未接种土壤接种物的植物相比，具有显著降低的茎鲜重和枝高。接受模拟接种的植物的土壤历史状况没有显著差异，这再次表明，我们在具有驯化和未培养的土壤微生物群的植物之间观察到的幼苗活力性状的差异在本质上是生物因素。我们假设土壤类型和接种类型之间植物生长性状的差异将与微生物群结构相关。因此，我们接下来分析了幼苗的根系相关细菌和古细菌。在两个实验中，活接种和模拟接种的幼苗均具有明显不同的根微生物区（图5b），与接种宿主相比，宿主活接种物的幼苗在微生物区系结构上表现出明显更大的变化。尽管这些植物显示出较高的幼苗活力特征（图5a），但在实验1中，接种了中等土壤类型的幼苗的微生物群与驯化的土壤类型微生物群（图5b）聚集在一起。总之，这些结果表明通过过滤器灭菌/高压灭菌减少了土壤微生物区系之间的差异，并且表明幼苗生长参数的差异与微生物区系结构相关。图5: 驯化土壤群落与未栽培土壤群落组成差异与水稻植株生长差异相关接下来，我们试图确定其相对丰度与幼苗活力性状变异相关的细菌类群。我们确定了151个OTU，这些OTU与接种活土壤微生物群的实验1植物的幼苗苗高显著正相关或负相关（图5c）。在模拟群落的幼苗中，仅鉴定出7个OTU与苗高显著正相关或负相关，没有一个与来自活接种的活OTU重叠。在活土壤接种植物的相关OTU中，有62个显示正相关，有89个显示负相关，分别包含4个和9个门。与幼苗高度呈正相关的OTUs主要由根瘤菌科、草杆菌科、马甲科和嗜甲基菌科组成。负相关的OTU在分类学上更加多样化，包括29个不同的细菌家族。总之，这些结果表明，在反复耕种的季节中积累的微生物会对水稻幼苗的活力产生负面影响。这项研究描述了驯化对全球最重要的粮食作物水稻连续单作产生的土壤微生物和植物-土壤反馈的影响。研究结果表明，土壤微生物区系的组成变化似乎部分是由水稻驱动的，而不仅仅是耕作方法的结果。这些微生物群的变化会抑制植物的生长，并可能影响农业产量，并导致全球甲烷排放。在未来的研究中应解决的问题将包括随着作物轮作而改变的微生物群的持久性程度，或者是否暂停或终止耕种，在没有反馈回路的情况下驯化状态的衰减率以及恢复到与地理相关的未耕种土壤的微生物群组成。
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