王二濤研究組及合作團隊提出根際微生物群落“擴增-選擇”組裝新模型

  202037日,Science Bulletin在線發表中國科學院分子植物科學卓越創新中心王二濤研究組及其合作團隊完成的題為“An amplification-selection model for quantified rhizosphere microbiota assembly”的研究論文,該研究基于微生物絕對豐度提出了植物根際微生物群落“擴增-選擇”組裝的新模型。 

  在自然界中,植物根系與大量的微生物互作,這些微生物定殖在根際土中,或附著于根系表面,或定殖于根內,統稱為植物根際微生物組。植物根際微生物對于植物的生長發育和環境適應具有重要作用?;趥鹘y的微生物相對豐度(the relative abundance,通過高通量測序16S/18S rRNA基因獲得環境樣本中各微生物群落的相對組成)數據,研究人員提出了根際微生物群落的兩步或多步篩選組裝模型(two-step selection model 或者multi-step selection model),該模型認為:微生物依次在根外土(bulk soil)、根際土 (rhizosphere soil) 和根內 (root) 逐步被篩選,形成植物根際特異的微生物群落(圖示)。其中變形菌門(Proteobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)和放線菌門(Actinobacteria)是根際富集的主要菌群,而酸酐菌門(Acidobacteria)是根際排斥的主要菌群(圖示)。 

  基于微生物相對豐度的研究描述了不同植物物種根際微生物的群落組成及多樣性,但忽略了單位質量或體積中不同微生物群落的絕對豐度(the absolute abundance)。另外,基于16S/18S rRNA基因的相對豐度研究忽視了不同細菌/真菌的16S/18S rRNA基因的拷貝數差異。因此,相對豐度的研究結果很難與定量的植物生理生態指標進行聯系,阻礙了我們對于根際微生物生態功能的理解。 

  通過定量蒺藜苜蓿的根際微生物組,我們發現平均每克根外土、根際土和根系中細菌16S rRNA基因的含量為1.1 × 109,1.51 × 10103.28 × 109,根際土中細菌16S rRNA基因的含量是根外土的13.7倍。當對16S rRNA基因的拷貝數進行加權后,我們發現平均每克根外土、根際土和根系中細菌數目為6.91 × 108,6.44 × 1091.24 × 109,根際土中細菌細胞數目是根外土的9.3倍。表明相對于根外土,細菌的絕對豐度在根際土中是顯著升高的。進一步分析根內微生物群落相對于根際微生物群落的比例,我們發現放線菌門、γ-變形菌門及Δ-變形菌門從根際土進入根內的比例最大,分別為63%、59%59%。 

  基于這些研究結果,我們提出根際微生物群落組裝“擴增-選擇”的新模型,該模型認為,與根外土相比,主要菌門在根際土中的絕對豐度都被顯著擴增,經根際土擴增的微生物進一步被根篩選,形成特異的根內微生物群落。我們把根外土比作“鄉村”或者“沙漠”,把根際土比作“大都市”或者“綠洲”,相對于營養較為貧乏的“鄉村”,“大都市”可以為微生物提供更多的工作機會,大部分微生物能在“大都市”找到崗位并繁衍擴增。不同微生物擴增倍數可能由微生物自身擴增速率,微生物與微生物互作,植物與微生物互作等因素決定。根際微生物群落組裝的“擴增-選擇”新模型,將指導我們定量追蹤植物根際微生物群在不同生長周期絕對豐度的變化,有助于將根際微生物與植物定量性狀關聯起來,以便更好利用根際微生物提升農業的可持續發展。 

  該工作是中科院分子植物科學卓越創新中心王二濤研究組與上海師范大學于楠研究組和河南大學張學斌研究組合作完成的,王孝林博士為第一作者。王二濤研究員,于楠副教授和張學斌教授為論文共同通訊作者。該研究受中國科學院和國家自然基金委的資助。 

  論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.03.005 

根際微生物群落“擴增-選擇”組裝新模型:左圖為基于微生物相對量的根際微生物群落“兩步選擇”模型(two-step selection model),右圖為根際微生物群落“擴增-選擇”組裝新模型(amplification-selection model)。

 

 

 

 

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