植物發(fā)育時期驅(qū)動玉米微生物組生態(tài)角色的分化Plant developmental stage drives the differentiation in ecological role of the maize microbiome Microbiome [IF: 14.65] DOI：https:///10.1186/s40168-021-01118-6 發(fā)表日期：2021-08-13 第一作者: Chao Xiong(熊超)(cxiong_eco@163.com) 通訊作者：Li-Mei Zhang(張麗梅)(zhanglm@rcees.ac.cn)1,2 合作作者: Brajesh K. Singh, Ji-Zheng He, Yan-Lai Han, Pei-Pei Li, Li-Hua Wan, Guo-Zhong Meng, Si-Yi Liu, Jun-Tao Wang, Chuan-Fa Wu, An-Hui Ge 主要單位： 1中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室（State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China） 2中國科學院大學（University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China） 摘要 植物的各個部位棲居著大量高度多樣的微生物，對植物養(yǎng)分吸收、病害抵御和適應(yīng)環(huán)境脅迫等各方面具有重要影響，但目前對于植物生長發(fā)育是否以及如何影響作物微生物組的群落構(gòu)建、生態(tài)功能以及微生物互作網(wǎng)絡(luò)仍然缺乏系統(tǒng)的認識。本研究同時在兩個相距較遠的地區(qū)考察了玉米不同生長發(fā)育時期下土壤（根際及非根際土壤）及植物部位（包括根和葉的表面和內(nèi)部以及玉米籽粒）的細菌和真菌群落演替動態(tài)及其跨界互作模式，并以田間放置的塑料植物葉片作為背景對照，評估了大氣環(huán)境對植物葉際微生物群落的影響，并利用宏基因組學技術(shù)進一步研究了葉表微生物組的潛在生態(tài)功能。 結(jié)果表明，植物不同發(fā)育時期對作物微生物組的多樣性、群落組成、確定性/隨機性群落構(gòu)建以及網(wǎng)絡(luò)互作模式具有較強影響，且對葉表微生物組的影響最為強烈。溯源分析表明大氣環(huán)境（以塑料植物葉片為代表）是葉表微生物群落的重要來源，葉表微生物組同時受到植物生長發(fā)育和季節(jié)相關(guān)的環(huán)境因子（如溫度和降水）的共同影響。植物部位細菌群落在苗期具有較高的alpha多樣性并主要受確定性過程影響，而真菌群落主要在成熟期表現(xiàn)出類似的特征。網(wǎng)絡(luò)分析和隨機森林模型分析進一步表明，作物苗期的細菌群落在微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和作物產(chǎn)量預(yù)測中更為重要，隨著植物生長，真菌的作用越來越重要。宏基因組分析結(jié)果表明，苗期的玉米葉表微生物組具有更高的功能多樣性和更高豐度的養(yǎng)分供應(yīng)相關(guān)的基因，而后期則富集了更多與氮同化和碳降解相關(guān)的基因。此外，屬于放線菌門、伯克氏菌科以及根瘤菌科的潛在有益細菌在植物發(fā)育早期顯著富集，而腐生真菌在植物發(fā)育后期顯著富集。 以上研究結(jié)果表明，植物生長發(fā)育時期對其微生物組的組成和功能具有較強的調(diào)控作用，細菌和真菌群落分別在不同時期發(fā)揮主要生態(tài)角色。本研究通過田間試驗驗證，揭示了植物生長發(fā)育過程中宿主植物可以通過確定性選擇過程對其微生物組產(chǎn)生較強的調(diào)控效應(yīng)。這些發(fā)現(xiàn)可以為未來微生物組調(diào)控策略的制定、相關(guān)菌劑的開發(fā)以及農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)提供重要參考。 引言大量高度多樣的原核和真核微生物群落生活在植物的各個部位，它們與宿主植物長期共進化并對植物的多方面功能和性狀具有重要影響。例如，一些生活在根際和植物部位中的固氮菌、拮抗細菌和菌根真菌等有益的微生物類群，可以通過促進植物養(yǎng)分吸收、增強植物抑病能力及改善植物的環(huán)境脅迫抗逆性等途徑影響宿主植物的生長發(fā)育及健康。近年研究發(fā)現(xiàn)植物微生物組群落構(gòu)建過程以及宿主植物的健康狀態(tài)主要受宿主、微生物、以及環(huán)境間復(fù)雜及動態(tài)的互作關(guān)系影響，但是我們對于驅(qū)動植物-微生物組-環(huán)境相互作用的基本生態(tài)過程仍然了解較少。進一步認識植物微生物組群落構(gòu)建、生態(tài)功能以及互作網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化及作用機制，對于未來充分發(fā)揮和調(diào)控微生物組功能、開發(fā)農(nóng)業(yè)微生物組資源及促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。 植物微生物群落在種子播種后即開始形成，并在確定性(如生物和非生物因素介導(dǎo)的選擇效應(yīng))和隨機性(如隨機擴散和生態(tài)漂變事件)過程的影響下隨植物生長發(fā)育而發(fā)生變化。微生物群落不僅可以通過種子的垂直傳播遺傳給下一代，還可以從土壤、大氣和領(lǐng)近植物中擴散和定植到植物部位，并在多種宿主和環(huán)境因素的綜合作用下形成一個動態(tài)群落。一方面，宿主植物可以通過免疫系統(tǒng)、遺傳網(wǎng)絡(luò)和分泌物對其微生物組產(chǎn)生強烈的選擇效應(yīng)。另一方面，多種環(huán)境因素如氣候、土壤性質(zhì)(如pH和土壤養(yǎng)分)和人類干擾（如農(nóng)業(yè)管理制度）也在植物微生物組群落構(gòu)建過程中發(fā)揮重要作用。近年大量研究表明，植物相關(guān)的微生物群落主要是由部位生態(tài)位和宿主種類決定，植物葉表和根表是宿主與環(huán)境相互作用的重要界面。此外，植物發(fā)育時期對其微生物組的形成、穩(wěn)定和動態(tài)變化也具有重要影響，這主要是因為植物的生理需求以及代謝產(chǎn)物會隨著其生長發(fā)育時期的變化而發(fā)生改變。同時，植物發(fā)育時期對微生物群落的影響還包括空氣、灰塵、降雨和溫度等季節(jié)性環(huán)境因素的影響。然而，在不同氣候、土壤因子以及施肥調(diào)控措施等多種因素的綜合作用下，植物發(fā)育時期如何影響土壤-植物連續(xù)體上微生物群落的組成和功能，目前我們還缺乏系統(tǒng)的實驗證據(jù)。 除宿主和環(huán)境因素外，微生物之間的相互作用對植物微生物組的群落構(gòu)建過程及植物-微生物組穩(wěn)定性也有較大影響。例如對擬南芥根系微生物組的研究表明，細菌、真菌和卵菌之間的微生物互作對擬南芥的生存具有重要影響，其中細菌群落在抵御病原菌及維持植物健康方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。然而，對于植物不同發(fā)育時期下土壤-植物連續(xù)體上細菌-真菌跨界互作動態(tài)以及這些復(fù)雜的微生物互作如何影響微生物組群落構(gòu)建和宿主健康，目前仍然存在較大的研究空白。本研究以在河南許昌(潮土)和云南曲靖(紅壤)布置的田間施肥試驗為對象，研究了玉米三個不同發(fā)育時期下土壤(非根際和根際土壤)、多個植物部位(根表、根內(nèi)、葉表、葉內(nèi)和玉米籽粒)以及假植物的塑料葉片(代表當?shù)貧夂蚝涂諝猸h(huán)境)共計432個樣品中細菌和真菌的群落動態(tài)，以期探明：(1)研究土壤類型、氣候和施肥管理措施等環(huán)境因子與植物生長發(fā)育如何共同交互影響土壤-植物連續(xù)體上微生物組的群落構(gòu)建過程;(2)探究植物不同發(fā)育時期細菌和真菌群落的跨界互作網(wǎng)絡(luò)模式及生態(tài)功能。我們的科學假設(shè)是：(1)植物發(fā)育時期對植物微生物組的影響大于環(huán)境因素的影響并對微生物群落產(chǎn)生較強的確定性選擇效應(yīng)，但是對于土壤微生物組相反；其次，葉表微生物群落由于同時受到宿主發(fā)育和季節(jié)性環(huán)境因素的影響從而具有更強的時期動態(tài)；(2)微生物跨界互作網(wǎng)絡(luò)模式和微生物組功能會隨著植物生長發(fā)育而發(fā)生變化，細菌和真菌群落在植物不同發(fā)育時期的生態(tài)重要性也相應(yīng)發(fā)生變化。 主要結(jié)果植物不同發(fā)育時期細菌和真菌的多樣性和群落構(gòu)建過程線性混合模型分析表明，植物發(fā)育時期對植物部位中細菌和真菌群落的Chao1豐富度指數(shù)具有較大影響，而對根際和非根際土壤的影響較小。對于植物部位，細菌群落的Chao1豐富度指數(shù)從苗期到成熟期呈下降趨勢，而真菌群落呈現(xiàn)上升趨勢（圖1）。 圖1 作物微生物組多樣性及分布格局的時間動態(tài)變化
PERMANOVA分析和NMDS排序結(jié)果表明，在大部分植物部位生態(tài)位(葉表、葉內(nèi)和根內(nèi))，植物發(fā)育時期對細菌和真菌群落分異具有最大的解釋量(16-45%)，其中植物葉表的時期效應(yīng)最強(細菌45.1%，真菌39.6%)(圖1)。而根表、根際和非根際土壤的微生物群落分異主要由地點解釋(31-65%）(圖1)。在植物整株水平，微生物群落結(jié)構(gòu)分異主要由部位生態(tài)位(細菌54.8%，真菌39.6%)解釋，其次是發(fā)育時期(細菌6.1%，真菌5.4%)和地點(細菌3.7%，真菌7.5%)(圖1)。對于所有樣品及單個部位樣品，施肥調(diào)控措施對微生物群落的影響都較小。雖然玉米葉表微生物群落與假植物塑料葉表群落具有顯著差異(P < 0.01)，但是二者表現(xiàn)出類似的時間動態(tài)特征(圖1)。 零模型分析表明，植物發(fā)育時期對作物微生物組群落構(gòu)建過程具有較大影響，尤其是葉表和葉內(nèi)生態(tài)位(圖2)。在苗期，植物部位細菌(約71%的樣品被確定性過程主導(dǎo))群落構(gòu)建過程中確定性過程的相對貢獻高于真菌群落(約47%)。隨著植物生長，確定性過程在細菌群落構(gòu)建中的相對貢獻在成熟期降低到53%，但是在真菌群落中增加到64%(圖2)。總體而言，確定性過程在早期對作物細菌群落構(gòu)建的影響較大，在后期對真菌群落的影響較大。而根際(71-81%)、非根際土壤(61-76%)和塑料葉表(87-100%)的微生物群落構(gòu)建主要受確定性過程主導(dǎo)，并在植物不同發(fā)育時期變化較小(圖2)。 圖2 植物不同發(fā)育時期微生物組群落構(gòu)建過程中的確定性和隨機性
微生物跨界互作網(wǎng)絡(luò)的時間動態(tài)變化我們進一步通過網(wǎng)絡(luò)分析評估宿主發(fā)育時期對土壤-植物連續(xù)體上細菌-真菌跨界互作模式的影響。結(jié)果表明，細菌-真菌跨界互作模式在3個發(fā)育時期發(fā)生了明顯的變化，宿主不同發(fā)育時期細菌和真菌類群在網(wǎng)絡(luò)中的生態(tài)角色發(fā)生轉(zhuǎn)變(圖3)。植物苗期細菌類群比真菌類群在網(wǎng)絡(luò)中具有更高的網(wǎng)絡(luò)連通性(即網(wǎng)絡(luò)連接度)，而在成熟期這種趨勢則相反(圖3)。真菌類群的網(wǎng)絡(luò)連接度(平均網(wǎng)絡(luò)連接度)從苗期的2.2增加到成熟期的17.8(圖3)。網(wǎng)絡(luò)中負相關(guān)邊(主要屬于細菌-真菌界間關(guān)系)的比例從苗期的6.1%明顯增加到成熟期的50.5%(圖3)。我們進一步將“網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點”定義為網(wǎng)絡(luò)中連接度較高(> 50)且緊密中心度也高(> 0.3)的節(jié)點，發(fā)現(xiàn)在植物苗期有3個網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(細菌3，真菌0)，抽雄期有2個中心節(jié)點(細菌1，真菌1)，成熟期有10個中心節(jié)點(細菌4，真菌6)(圖3)。 圖3 細菌-真菌跨界互作網(wǎng)絡(luò)的時間動態(tài)
我們進一步對每一個部位的微生物群落進行網(wǎng)絡(luò)分析，同樣發(fā)現(xiàn)植物部位的微生物界間網(wǎng)絡(luò)模式在三個發(fā)育時期發(fā)生了明顯的變化，尤其是葉表和葉內(nèi)。而根際和非根際土壤微生物群落的網(wǎng)絡(luò)模式在三個發(fā)育時期相對穩(wěn)定。對于4個植物部位生態(tài)位，我們同樣發(fā)現(xiàn)從苗期到成熟期網(wǎng)絡(luò)中細菌節(jié)點的數(shù)量逐漸減少，而真菌節(jié)點的數(shù)量及其網(wǎng)絡(luò)連接度明顯增加。 微生物群落組成的時間動態(tài)及植物-微生物-環(huán)境相互作用三個不同發(fā)育時期植物部位的微生物群落組成具有明顯變化，而根際和非根際土壤的變化較小(圖4)。線性混合模型分析表明，植物發(fā)育時期對細菌中放線菌(F = 132.7，P < 2.2e-16)和擬桿菌(F = 78.4，P < 2.2e-16)及真菌中子囊菌綱(F = 34.0，P = 8.3e-14)和座囊菌綱(F = 20.0，P = 1.6e-8)的影響最大。植物部位的放線菌在苗期(26.1%)比抽雄期(15.9%)和成熟期(12.1%)具有更高的相對豐度。從苗期到成熟期，根表環(huán)境中座囊菌綱的相對豐度呈上升趨勢，而在根內(nèi)環(huán)境中呈下降趨勢(圖4)。在兩個研究地點，塑料葉表和玉米葉表的真菌群落在不同發(fā)育時期中均以座囊菌綱為主(圖4)。在ZOTU水平的差異豐度分析進一步表明，細菌伯克氏菌科、微桿菌科、鏈霉菌科和根瘤菌科中的一些類群在苗期的植物部位中顯著富集。而真菌群落中Coniothyriaceae、Mycosphaerellaceae、Sporidiobolaceae和Symmetrosporaceae的一些類群在成熟期的植物部位中顯著富集，并且這些科中的一些屬是成熟期微生物界間網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點。 圖4 植物不同發(fā)育時期細菌和真菌的群落組成及生態(tài)重要性
隨機森林模型分析表明，苗期細菌的群落組成對作物產(chǎn)量預(yù)測更為重要，而在成熟期真菌對作物產(chǎn)量預(yù)測具有更重要的角色(圖4)。Mantel檢驗結(jié)果表明，植物不同發(fā)育時期，根際和非根際土壤中的細菌群落與土壤氮循環(huán)相關(guān)的酶活(如固氮酶活性和潛在硝化速率)顯著相關(guān)。而真菌群落與C和P循環(huán)相關(guān)的土壤酶活(如β-葡萄糖苷酶和磷酸酶)顯著相關(guān)。溯源分析進一步發(fā)現(xiàn)，玉米果實(籽粒)可能從臨近的物種庫如葉片(細菌：46.5%，真菌：28.4%)和根(細菌：39.6%，真菌：58.1%)中選擇大部分的微生物類群。空氣(以假植物的塑料葉表代表)是玉米葉表微生物群落的重要潛在來源(細菌：67.7%，真菌：88.8%)，從苗期到成熟期空氣微生物群落對玉米葉表微生物群落的來源貢獻比例逐漸增加。 作物葉表微生物組的生態(tài)功能特征宏基因組分析結(jié)果表明，玉米葉表微生物組的功能組成(基于KO的NMDS排序)與塑料葉表微生物組的功能組成具有顯著差異(R2 = 44.3%，P < 0.01)，植物發(fā)育時期對玉米葉表(R2 = 50.0%，P < 0.01)和塑料葉表(R2 = 84.1%，P < 0.01)的微生物組功能也有顯著影響(圖5)。玉米葉表微生物組在苗期具有較高的功能多樣性(以KO、CAZyome和COG功能特征為基礎(chǔ)計算的Chao1豐富度指數(shù))，而假植物的塑料葉片則表現(xiàn)出相反的模式(圖5)。差異豐度分析結(jié)果表明，玉米葉表在苗期特異富集了更多的功能屬性(包括KO、CAZyome和COG)(圖5)。一些與醌氧化還原酶(NAD（P）H)、糖基轉(zhuǎn)移酶(GT31)和抗病(K13457，很可能來自宿主基因組)相關(guān)的功能基因/模塊在苗期顯著富集(圖5)。此外，C、N、P循環(huán)相關(guān)的功能基因在三個發(fā)育時期表現(xiàn)出不同的分布模式(圖5)。與硝酸鹽還原有關(guān)的功能基因(narG和narH)在苗期更為豐富，而氧化亞氮還原酶基因(nosZ)、氮同化基因(nasA和nasB)、以及碳(C)降解(xylA和amyA)和磷(P)轉(zhuǎn)運(pstA和pstB)相關(guān)功能基因在其他兩個發(fā)育時期更為豐富(圖5)。 圖5 植物不同發(fā)育時期葉表微生物組的生態(tài)功能特征
結(jié)論本研究為不同環(huán)境條件下作物微生物組結(jié)構(gòu)及功能的時期演替特征提供了系統(tǒng)的描述。結(jié)果表明，植物發(fā)育時期對植物部位中微生物群落屬性(如alpha多樣性、群落結(jié)構(gòu)、確定性/隨機性群落構(gòu)建模式和跨界互作網(wǎng)絡(luò))的影響顯著高于對土壤微生物的影響，其中對葉表微生物的影響最為強烈。大氣環(huán)境(以塑料植物葉片收集的樣品代表)是葉表微生物群落的重要來源(細菌：67.7%，真菌：88.8%)，葉表微生物群落受宿主發(fā)育和季節(jié)性環(huán)境因素的共同影響。 我們進一步揭示了細菌和真菌群落在作物不同發(fā)育時期的生態(tài)角色不同，細菌在作物發(fā)育早期的養(yǎng)分供給及健康維持中更為重要，而在作物生長后期，真菌群落在碳（C）循環(huán)過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。此外，我們發(fā)現(xiàn)確定性過程對早期植物部位的細菌群落構(gòu)建起主導(dǎo)作用，而在后期則是對真菌群落構(gòu)建起主導(dǎo)作用。這些結(jié)果表明在植物生長發(fā)育過程中，宿主植物對其微生物組的組成和功能具有強烈的選擇性調(diào)節(jié)作用。這些發(fā)現(xiàn)可以進一步加深我們對植物-微生物組互作機制的認識，為未來合成群落研究和微生物組調(diào)控技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用提供了重要信息。 作者：熊超 中科院生態(tài)中心 責編：馬騰飛 南京農(nóng)業(yè)大學 審核：劉永鑫 中科院遺傳發(fā)育所 ReferenceChao Xiong,Brajesh K. Singh, Ji-Zheng He, Yan-Lai Han, Pei-Pei Li, Li-Hua Wan, Guo-Zhong Meng, Si-Yi Liu, Jun-Tao Wang, Chuan-Fa Wu, An-Hui Ge, Li-Mei Zhang. Plant developmental stage drives the differentiation in ecological role of the maize microbiome. Microbiome 9, 171 (2021). https:///10.1186/s40168-021-01118-6 |
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