佳作推荐|不同环境条件下宿主植物中微生物的变
本期佳作利用代谢组+16S的研究策略探究不同环境条件下宿主植物中微生物的变化，发现植物和微生物之间的有益联系可以增强植物对非生物胁迫的耐受性。原文于2020年5月于mSystems上在线发表。
不同环境条件下宿主植物中微生物的变化
Plant Hosts Modify Belowground Microbial CommunityResponse to Extreme Drought
作者：Allison M. Veach 等
期刊：mSystems
时间：2020.05
影响因子：6.519
DOI：10.1128/mSystems.00092-20
一、研究背景
气候变化导致降水和温度的显著变化，预计在下个世纪将变得更加极端。微生物是生态系统中的重要成员，它们如何应对这些变化的非生物压力源对生态系统的功能、营养物质的循环和地上植物群落的健康有着重大的影响。干旱胁迫对微生物活动产生负面影响，但这种胁迫反应的强度可能取决于地面和地下的相互作用。这项研究表明，植物和微生物之间的有益联系可以增强对非生物胁迫的耐受性。
二、实验结果
1.根代谢物分析
在不同干旱处理组之间，几种代谢物组在浓度上有显著不同：酚苷、氨基酸、脂肪酸和糖醇在经历过干旱的植物根中产量有更显著（p<0.05）的提升（图1）。在干旱条件下氨基酸浓度有明显的干旱胁迫与时间的相互作用，在干旱结束时（第12天），平均而言，在干旱条件下氨基酸浓度提升110%，；在再湿期（第13天），控制组和干旱组的结果相似；在恢复阶段（第25天），相对于对照根系，它们在干旱条件下的产量更高（图1D）。
图1 不同处理条件代谢物分析
2.微生物的alpha-和beta-多样性
有植物存在的土壤细菌和古细菌系统发育多样性（PD）差异显著（p<0.001）。土壤细菌和古细菌分类学多样性（H’）仅在干旱处理组显著差异（p=0.005）。系统发育多样性平均比与有植物相关的根际土壤高出8%，干旱处理的系统发育多样性以及分类学多样性平均与对照相比分别低5%和2%。与土壤相比，干旱导致根中的细菌/古菌PD和H’分别增加了21%和12%，细菌/古菌根的PD在恢复结束时比再湿润时更大。而土壤真菌组成只随着植物的存在而变化。在种植土壤中，细菌/古菌丰富度和多样性指数（PD，H’，真菌H’）与代谢物功能类别没有相关性。但在根内，细菌/古菌的PD和H’与碳水化合物呈负相关，而PD与脂肪酸呈正相关，H’与氨基酸呈正相关。根真菌H’与氨基酸呈正相关，与糖醇呈负相关。
对于土壤中的细菌/古菌，植物存在（无植物vs种植土壤）解释了最多的变化，而时间和干旱处理解释了群落组成中较低的变化比例（图2）。主效应之间的双向交互作用均显著（表1）。
表1 细菌、古生菌和真菌的置换多变量方差分析结果
图2 不同处理条件下微生物系统发育多样性和分类学多样性变化
在土壤中放线菌门（Actinobacteria），浮霉菌门（Planctomycetes），拟杆菌门（Bacteroidetes）和 γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）与有植物的存在时有差异（表2）：相对于无种植土壤，种植土壤中富集放线菌门（Actinobacteria），拟杆菌门（Bacteroidetes）和 γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria） ，而浮霉菌门（Planctomycetes）、担子菌（Basidiomycota）和被孢霉门（Mortierellomycota）在无种植土壤中相对富集（图3）。
表2 不同处理条件下细菌和真菌优势菌群的变化
图3 不同处理条件下细菌和真菌优势菌群丰度的变化
3.在干旱/再湿/恢复期间，OTU数量差异较大
在干旱/再湿/恢复期间，土壤和种植土壤中有敏感型（水分胁迫减少，总数=304）和机会型（水分胁迫丰富，总数=231）细菌/古细菌OTUs（图4），而真菌敏感型（总数=10）和机会型（总数=4）OTUs比较少。在根中，细菌仅有1种机会型OTU。真菌有19种机会型OTUs，4种敏感型OTUs。无论是干旱还是复湿，细菌/古菌敏感型OTUs都比机会型OTUs响应更多。
图4 不同处理条件下OUT数量的差异
三、结论与亮点
1.植物代谢组学分析表明，干旱暴露增加了宿主对C和N代谢途径（氨基酸、脂肪酸、酚类糖苷）的投入，无论其恢复与否。几种代谢物与根系相关微生物的基因多样性呈正相关，但与土壤群落的基因多样性不相关。
2.相对于灌溉对照，土壤细菌群落组成随着植物的存在和干旱的变化而变化，而土壤真菌组成只随着植物的存在而变化。然而，根系真菌群落随着干旱发生了强烈的迁移，而根系细菌群落的迁移程度较小。
3.细菌水分胁迫条件下OTUs的比例（干旱富集计数）在干燥期末期较高（~约11%），并在重湿期和恢复期后保持不变，但在有植物存在的土壤中随时间下降。
4.对根系真菌而言，在干旱处理后的恢复期机会性OTUs数量较高（约占丰度的17%），虽然对土壤，特别是种植的土壤的反应相对较弱（敏感性或机会性的丰度<0.5%）。
5.这些数据表明，在极端干旱的情况下，植物通过紧密的植物-微生物联系来调节土壤和与根系相关的微生物对干旱的反应，但在极端干旱之后，其变化轨迹随着植物栖息地和微生物功能群而变化。
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