本研究建立了水稻内生微生物资源库，并通过多尺度微生物组学分析，阐明了种子内生微生物组中核心类群的垂直传播与功能特征，对未来开发种子内生菌并提高植物适应性奠定了理论基础。
编译：马毅楠，编辑：微科盟居居、江舜尧。
论文ID
原名：Dynamicsofricemicrobiomesrevealcoreverticallytransmittedseedendophytes
译名：水稻微生物组动态变化揭示核心垂直传播的种子内生微生物
期刊：Microbiome
IF：16.837
第一作者：张晓霞，马毅楠
通讯作者：魏海雷
通讯作者单位：中国农科院农业资源与农业区划研究所
DOI号：10.1186/s40168-022-01422-9
实验设计
本研究基于两代水稻、6个品种(RBQ、L31、M63、P64、Dular和Kasalath)、4个种植区(三亚、廊坊、南昌和西双版纳)、5个取样部位(散土、根际土、根内、茎内、种子内)的481份样品进行了高通量微生物组深度解析。
结果
1.水稻微生物群落多样性及其驱动因素
作者利用Chao1和Shannon指数描述样品的α-多样性后发现，同一水稻品种的根际、根、茎和种子内生微生物在不同地区的α-多样性没有显著差异。此外，6个水稻品种的根际、根内、茎内和种子内样品的α-多样性指数在4个种植地点没有显著差异，说明水稻基因型对微生物多样性没有影响。此外，根际和散土微生物群落的α-多样性在4个种植地点具有明显的差异，然而，内生微生物(茎、根和种子)多样性在4个地点具有不同的分布，表明外界环境对水稻内部的微生物多样性影响不大。重要的是，作者还发现水稻微生物的α-多样性不受品种和种植地区的影响，始终呈现从根际、根、茎到种子内降低的规律。
通过基于Bray-Curtis相异性的PCoA分析，结果显示取样部位是微生物组变异的最主要影响因素(R2=0.314,p<0.001)，而受种植地区(R2=0.0967,p<0.001)和水稻品种(R2=0.0106,p=0.478)的影响较小。可见，取样部位是水稻微生物组组成的主要驱动力。这些数据表明，水稻微生物群落的多样性从根部远处到近处、从外部到内部、从地下到地上呈稳步下降趋势。
图2基于Bray-Curtis相异性的水稻取样部位、种植地区和品种的PCoA分析。2.水稻微生物的群落组成及动态变化
为了调查水稻微生物的群落组成及动态变化，作者分析了在不同条件下的水稻微生物群落富集和组成情况。对于散土样品，三亚种植区的β-变形菌纲(Betaproteobacteria)的占比最高(57.9%)，而其他细菌菌纲占比均小于10%。相比之下，放线菌纲(Actinobacteria)广泛分布在廊坊和西双版纳种植区，而疣微菌门(Verrucomicrobiasubdivision3)在南昌种植区显著富集。根际土样品细菌群落组成与散土样品十分相似，但少数类群在这两种取样部位间变化明显，例如β-变形菌纲(Betaproteobacteria)。γ-变形菌纲(Gammaproteobacteria)是唯一一个在散土、根际、根、茎和种子中逐渐富集的菌纲，而放线菌纲、α-变形菌纲和β-变形菌纲逐渐减少，说明水稻内部生态位更加有利于γ-变形菌纲的生存。因此，来自于γ-变形菌纲的泛菌属(Pantoea)和黄单胞菌属(Xanthomonas)比来自α-变形菌纲的鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)和β-变形菌纲的食酸菌属(Acidovorax)在研究水稻内生方面更加具有优势。此外，在不同取样部位中丰度最高的前五个菌纲和菌属呈现动态变化，在子代种子样品中，γ-变形菌纲和泛菌属最为优势。
图3水稻取样部位微生物群落组成。a,纲水平散土、根际土、根内、茎内、子代种子和亲代种子内生微生物组成柱状图。b,纲水平各取样部位前五汇总图。c,属水平散土、根际土、根内、茎内、子代种子和亲代种子内生微生物组成柱状图。d,属水平各取样部位前五汇总图。
3.细菌共现性网络和关键类群
通过构建不同取样部位的细菌共现性网络，作者进一步解析了细菌类群和取样部位间复杂相互作用对水稻微生物群落组成的影响。总体而言，网络的复杂性从根际、根内、茎内到种子内逐步降低。根据模块化指数可以观察到地下部分(散土、根际土和根内)比地上部分(茎内和种子内)具有更明显的模块化趋势。子代种子内样品的网络节点数、边数和平均聚类系数均为最低，网络组成最为简单。由此可见，取样部位对微生物网络的构建具有显著影响。作者根据网络节点解析微生物群落中的关键微生物。网络节点中变形菌门数量最多，且在茎内和种子内生样品中所有的节点微生物都来自变形菌门，说明该菌门在水稻内生微生物组中的重要地位。
4.水稻核心内生菌群
为了挖掘能够在水稻中垂直传播的核心内生微生物类群，作者首先以大于70%的阈值在不同地点、水稻品种和微生境中提取核心ASV，最终在根、茎和子代种子内生样品中分别发现了438个、94个和27个ASV，其中三者共有的ASV为14个，分布在两个菌门，6个菌目。因此，作者推测水稻核心内生菌群的组成并不完全随机，而是受到了细菌特征、宿主环境和代谢特点的影响。
图5水稻核心内生微生物和垂直传播类群。a,韦恩图显示高频率出现在水稻内生取样部位(根内、茎内和种子内)的ASV。b,韦恩图展示10个潜在的从亲本种子垂直传播到子代种子的ASV。c,在不同取样部位的潜在垂直传播ASV的绝对丰度。
5.种子内生菌垂直传播的证据
为了鉴定潜在的垂直传播细菌类群，作者分析了核心内生菌和亲代种子内生样品之间的重叠ASV，发现在14个共有内生ASV中，10个均来自亲代种子内生样品。同时ASV_2(Pantoea)、ASV_26(Pseudomonas)、ASV_48(Xanthomonas)和ASV_238(o_Enterobacterales)在根内、茎内、亲代种子和子代种子样品中的绝对丰度和出现频率均显著高于散土和根际土样品，表明这4种ASV最有可能是垂直传播的类群。
6.可垂直传播的种子内生菌群基因组挖掘和功能特征
图7水稻种子垂直传播内生菌的系统发育分析。a,基于1258个单拷贝同源基因的串联多序列比对建立的21株泛菌菌株与20株模式菌株的最大似然发系统发育关系。b,基于892个单拷贝同源基因的串联多序列比对建立的27株泛菌菌株与22株模式菌株的最大似然发系统发育关系。SM，次生代谢产物；PSS，蛋白质分泌系统；ENZ，消化酶。
总结
本研究建立了水稻内生微生物资源库，并通过多尺度微生物组学分析，阐明了种子内生微生物组中核心类群的垂直传播与功能特征，对未来开发种子内生菌并提高植物适应性奠定了理论基础。对进一步理解微生物-植物共进化理论提供了新的证据。水稻内生微生物资源在营养转化与吸收、抗病抗逆、耐胁迫等方面表现出的巨大潜力，也为微生物肥料、微生物农药、微生物种衣剂、微生物防腐剂的研发开辟了新的思路。
中国农科院农业资源与农业区划研究所张晓霞研究员和马毅楠博士后为该论文的共同第一作者，魏海雷研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、中国农业科学院科技创新工程等项目资助。
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