|
嫁接是防止單一栽培植物產(chǎn)量下降的常用技術(shù)。然而，目前對嫁接如何改變土壤微生物區(qū)系的組成以及這些變化如何影響隨后的作物性能的理解仍然有限。 本次為大家介紹一個經(jīng)典的土壤-反饋實驗設(shè)計，該實驗設(shè)計同時結(jié)合多組學(xué)分析，揭示了嫁接影響了植物根際土壤微生物組成、功能和代謝，且這種影響可以通過“植物-土壤反饋”反映在后續(xù)的植物種植中，研究成果發(fā)表在Microbiome。
實驗設(shè)計 樣本類型：根際土、根 測序策略：16S+ITS+宏基因組binning+代謝組 實驗設(shè)計： 土壤反饋調(diào)節(jié)階段：未嫁接的西瓜和嫁接的西瓜在田間連續(xù)單作6年。收集兩種處理中的散裝土壤樣本以評估土壤特性并用于細(xì)菌和真菌擴增子測序。相同的土壤也用于響應(yīng)階段實驗。 響應(yīng)階段實驗： 實驗1：同種植物-土壤反饋實驗，6個處理（2種土壤類型×3種植物生長類型）。未嫁接的西瓜和嫁接的西瓜分別移栽在未嫁接西瓜條件土壤和嫁接西瓜條件土壤獨立生長和競爭生長。植物生長18天后，每隔3天收獲一次植物，并確定生物量，即總共收獲10次（n = 3）。在最后一次收獲時間點（移植后45天），對塊狀土壤進(jìn)行取樣以評估其土壤特性，并對根際土壤進(jìn)行取樣以進(jìn)行細(xì)菌和真菌擴增子測序（n = 3）。收集根樣品以確定代謝物的組成（n = 4）。 實驗2：生物反饋實驗，8個處理（2種條件土壤×2種植物類型×2個處理條件）。未嫁接的西瓜和嫁接的西瓜分別移栽在未嫁接條件土壤和嫁接條件土壤，同時設(shè)置了2個處理條件，未滅菌的和經(jīng)過伽馬射線射線滅菌。這些植物也在移植后45天收獲，并測定其生物量（未嫁接的西瓜n = 9，嫁接的西瓜n = 10）。保留未滅菌處理的根際土壤用于宏基因組測序（n = 5）。
研究結(jié)果 1、嫁接顯著分化了植物土壤反饋，改變了微生物組成 未嫁接條件土壤中的細(xì)菌Shannon多樣性指數(shù)和豐富度顯著低于嫁接條件土壤（兩個指標(biāo)的P < 0.001）。分離的嫁接西瓜植物總是表現(xiàn)出顯著的正同種反饋（圖2b）。由嫁接西瓜植物調(diào)節(jié)的土壤總是對嫁接和未嫁接西瓜植物的生長產(chǎn)生正反饋效應(yīng)。 本研究在競爭性生長期間，比較了同種和異種土壤之間的植物性能。在競爭中，未嫁接西瓜的負(fù)反饋強度在生長后期下降，甚至轉(zhuǎn)為正反饋（圖2c）。隨著植物的老化。當(dāng)植物競爭時，在孤立的嫁接西瓜植物中觀察到的正反饋顯著降低（圖2d）。然而，該反饋仍然顯著高于零（圖2d），表明反饋雖然減弱，但仍對植物生長有積極貢獻(xiàn)。
2、潛在的關(guān)鍵微生物分類群影響植物生長 使用隨機森林分析來評估由同一植物（同種土壤）和另一種植物（異種土壤）調(diào)節(jié)的土壤之間細(xì)菌和真菌屬豐度的變化如何影響同種植物-土壤反饋值。細(xì)菌屬豐度的變化與這些反饋值密切相關(guān)（圖3a）。同樣，真菌屬豐度的變化顯著預(yù)測了同種反饋值（圖3b）。
3、土壤微生物遺留改變了植物根系的代謝譜 本研究比較了在未嫁接和嫁接條件土壤中生長的未嫁接西瓜的根相關(guān)代謝譜，以及在兩種條件土壤中生長的嫁接西瓜的根相關(guān)代謝譜。代謝組圖譜顯示，在未嫁接條件土壤上生長的未嫁接西瓜中富集的代謝物與硫代謝途徑有關(guān)（圖4b）。但相同的未嫁接植物生長在嫁接條件土壤上，導(dǎo)致與精氨酸生物合成途徑相關(guān)的富集代謝物（圖4c）。VIP分析確定了嫁接西瓜中的關(guān)鍵代謝物，這些代謝物導(dǎo)致了不同條件土壤之間觀察到的差異。
4、與代謝組學(xué)分析相關(guān)的宏基因組組裝基因組重建 根據(jù)宏基因組測序數(shù)據(jù)，從未滅菌土壤（未嫁接或嫁接的條件土壤）上生長的未嫁接和嫁接西瓜植物根際土樣本中重建了100個宏基因組組裝基因組（MAG）（圖5），完整性超過70%且污染比例小于10%。這些MAG在分類學(xué)上隸屬于7個不同的細(xì)菌門（圖5）。 為了闡明可以預(yù)測同種植物-土壤反饋的微生物的功能，將通過隨機森林分析鑒定的微生物與來自每個處理的MAG相交，以檢測共享微生物的推定關(guān)鍵物種和代謝特征。在未嫁接的條件土壤上生長的未嫁接西瓜根際的兩個MAGs被發(fā)現(xiàn)與Tahibacter和Amycolatopsis有關(guān)（圖6a，b），當(dāng)同一未嫁接西瓜在異質(zhì)性土壤中生長時，另外兩個MAG與Chryseobacterium和Lysobacter有關(guān)（圖6c，d）。對這四個MAGs進(jìn)行了從MAGs中得出的代謝和生態(tài)推斷（圖6）。
參考文獻(xiàn) Efect of plant-derived microbial soil legacy in a grafting system—a turn for the better. Microbiome, 2024. |
|
|
