楊樹根際與各部位組織微生物組成多樣性

?Item：Structuralvariability and niche differentiation in the rhizosphere and endospherebacterial microbiome of field-grown poplar trees

Journal：Microbiome，2017

IF：8.496

1.研究背景

植物中的微生物群體是植物健康和生產力的關鍵決定因素之一，他們具有利用低丰度營養物，抑制植物病原體以及抵抗生物或非生物脅迫因子等多種功能。而對不同植物微環境中特別是地下和地上部分中微生物之間的結構組成的有力的了解仍然不夠了解。本研究討論了不同生態植物生態位的細菌群落的微生物群落分化和結構穩定性的假設。

2.研究方法

樣本選取：選擇體外繁殖的克隆楊樹（Populustremula × Populus alba），收集15棵的根際土壤和根系組織樣本，11棵樹的莖、葉樣本，樣本類型包括根際土壤，根，莖和葉。根際土壤被嚴格定義為粘附在根部的土壤顆粒。對於莖葉樣品，收集了11棵楊樹個體直接連接到中央樹榦的分支。為了標準化和最大化莖樣品的再現性，將幾個具有樹皮的小莖「核」（5-7芯，每個1厘米）從基部到分支頂部的每個分支收集，以表示莖隔室。對於葉子樣品，收集來自採樣分枝的所有葉子以表示葉室。

實驗方法：16S rRNA 967F-1391R，測序平台為Roche454測序儀

3.研究結果

（1）OTUs差異Venn圖分析

通過16S rRNA 測序分析楊樹根、莖、葉和根際土樣本微生物組成，不同樣本類型中OTUs差異Venn圖（圖1）分析，表明4組不同樣品既有共有OTUs，也有特有OTUs。但根際土中特有的OTUs比例更高，表明其微生物具有更高的多樣性。

圖1 各組樣本Venn圖分析

（2）α多樣性分析

從已有數據中去除singletonOTUs，這些OTU為假陽性的概率很大。基於OTU丰度，計算Simpson多樣性指數和Pielou均勻度（圖2）分析每個樣本中的微生物多樣性。為了控制差異，在計算多樣性指數之前，將每個樣本稀少到2000個序列。OTU豐富度高度依次為根際土壤，根系樣本和莖樣。葉片樣品的OTU丰度指數與莖樣品相當。對於多樣性和均勻度估計，發現楊樹各部位組織內生菌多樣性遠低於根際土微生物多樣性（圖2,3），但內生菌樣品個體間富含的菌群差異程度卻要顯著高於根際土（圖3）。

圖2 各個組織樣本的稀釋曲線

圖3 各組樣品α多樣性分析結果

（3） β多樣性分析

基於Bray-Curtis距離，進行了β多樣性分析。從PCA結果可以看出，楊樹莖、葉中所含微生物顯著區別於根部樣本和根際土樣本，而根部樣本與根際土樣本中的菌群組成也顯著不同。儘管莖、葉內生菌組成相似（相似度在40-60%之間），但也並非完全重合（圖4a）。聚類分析也支持了這一結果（圖4b）。

圖4 基於OTU水平的PCA分析和聚類分析

（4）物種注釋分析

從門水平樣品物種組成柱狀圖中不難看出，變形菌門、放線菌門、擬桿菌門和厚壁菌門均是各組樣品中的優勢菌群，但在各組中所佔比例各有不同，且存在相對丰度的組間差異。根際土中放線菌門的相對丰度要顯著高於其他三組，β變形菌、擬桿菌門的相對丰度顯著高於莖、葉樣品。但莖葉樣品中γ變形菌的相對丰度要顯著高於根部樣品和根際土樣品（圖5）。

圖5 各樣品門水平物種組成柱狀圖

(5）物種分類樹

根據分析得到的OTU物種丰度表，將植物各個生態位中丰度最高的前10種微生物定義為coremicrobiome，並進行分類樹狀圖的構建（圖6）。其中，根際土中top10優勢物種分別是放線菌目、伯克氏菌目、節細菌、Chitinophagaceae、芽孢桿菌目、微小病毒等；根部樣品中丰度最高的物種依次是根瘤菌、貪嗜菌、新鞘脂菌和Niastella等。TM7在莖葉組織中顯著富集，而根瘤菌在莖葉組織中卻顯著降低。並且相比於根際土壤和根系樣本，假單胞菌、甲基桿菌和鞘氨醇單胞菌在莖葉組織中富集。在葉片樣本中還發現Moraxellaceae，Aurantimonas和Sphingomonadales的顯著富集。

圖6 與植物生態位有關的優勢菌群

（6）物種指示分析

為了進一步確定哪些OTU對楊樹不同生態位之間的群落分化負責，我們使用物種指標分析來發現OTU和植物不同生態位之間的顯著關聯。在所有OTU上進行指標分析，不僅是核心OTU，以發現核心OTU分析可能漏掉的影響。物種指標分析顯示根際土壤中有94個指標OTU，根內皮中有18個，莖內部有5個，而在葉片內皮樣本中有9個。然而，當篩選平均相對丰度>1％的OTU，發現根際土壤（節細桿菌，硝螺菌，Norcardioides，Hyphomicrobiaceae，分枝桿菌和Microvirga的6個指標OTU），根系樣本中的2個（Novosphingobium和Niastella），莖樣品中的2個（Alcaligenaceae和Amnibacterium）和2個葉樣品（Sphingomonadales和Aurantimonas）。

表1 指示物種分析

4.研究結論

本研究證明野生生長楊樹（P.tremula x P. alba）中根際微生物的結構變異性遠低於其他部位微生物群。根際細菌群落的形成似乎是一個更加穩定和可控的過程，而內生根，莖和葉是變化較大的。此外，我們的數據不僅證實了根際土壤的微生物群落分類，而且還清楚地顯示了莖和葉中的微生物群落的微調和適應。每個植物生態位代表細菌群落的獨特組成，包括對特定宿主基因型效應（克隆，基因修飾基因型等）的分析的未來研究可以更好地了解細菌群落對宿主植物特定變化的可塑性或反應性。最後，我們確定了與楊樹不同生態位相關的核心細菌微生物群。這可以為更多詳細（隔離）研究確定的豐富的OTU提供依據，並進一步了解楊樹的複雜宿主-微生物相互作用。

5.研究亮點

（1）從獨特的研究視角出法，關注植物內生菌的組成變化；

（2）比較植物各個部位不同微生物組成，證實植物內生菌多樣性較低。

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