科研 | ISME:温带草原根际细菌群落组成的驱动因素
* 来源 : 微生态 * 作者 : admin * 发表时间 : 2020-08-03 * 浏览 : 6

科研 | ISME:温带草原根际细菌群落组成的驱动因素

 小憨豆 微生态 

点击蓝字↑↑↑“微生态”,轻松关注不迷路

编译:小憨豆,编辑:小菌菌、江舜尧。

原创微文,欢迎转发转载。

导读

根际含有高浓度的植物根系分泌物,不仅为根际微生物提供所需的能源,而且影响根际微生物的数量和种群结构。同时,根际微生物群落还影响植物生长,诱导系统抗性或直接抑制植物病原体,并通过土壤矿物质的溶解影响养分循环。

本文研究了中欧温带草地群落中6种植物的根际细菌和根系分泌物特征,它们分布在3个相距700公里的区域,跨越不同的土壤条件和强烈的土地利用梯度。从土壤群落的募集过程被认为是活跃的根际细菌群落组成的主要直接驱动力。

出人意料的是,土壤性质的影响,特别是土壤质地、含水量和土壤类型,严重影响着植物的性质和初级代谢的根系分泌物的组成。虽然植物物种特异性的细菌选择较少,但活跃的根际细菌的组成在根际和非根际土壤之间存在显著差异。尽管其他变量可能影响根际中特定细菌的持续富集,但不同的细菌OTU却与独立于各个植物物种的特定根系分泌物的存在有关。该研究还发现了与根际动力学相关的众多以前未知的分类单元,从而为今后植物根际细菌的操作提供了合适的目标。


论文ID


原名:Drivers of the composition of active rhizosphere bacterial communities in temperate grasslands

译名:温带草原根际细菌群落组成的驱动因素

期刊:The ISME Journal

IF:9.40

发表时间:2019.10

通信作者:Jörg Overmann

通信作者单位:布伦瑞克工业大学


实验设计


本研究在之前建立的大规模、长期的生态研究地点Schorfheide-Chorin(德国东北部勃兰登堡)、Hainich(德国中部)和Schwäbische Alb(德国西南部)下进行的。
选择了长叶车前、锯齿草和花毛莨作为研究对象,并选择了鸭茅、燕麦草和狐尾草作为研究对象。为了评估在严格控制和可再生条件下植物种类和环境条件的影响,使用了植物计。植物计是一种在受控条件下生长的植物,然后暴露在特定的环境中。种植和移植统一的植物确保所有地块的所有植物标本具有相同的年龄和后代,尽量减少混淆因素。在这三个区域中,每个区域都选择了18块草地,这样土壤特征就涵盖了生物多样性探索中存在的所有环境条件和土地利用情况。在原位生长1年后,挖掘出植物,并对根际取样。然后进行RNA提取,扩增测序,多样性分析及统计相关分析。


结果


1 植物计和自然生长植物的活跃的根际细菌群落

经过质控、去噪和去除嵌合体后,从总共340个样品(212个植物蒸腾表样品,82个天然植物样品和46个非根际土样品)中获得了约4亿条16S rRNA序列。根际样本的OTU的稀释曲线几乎达到饱和,表明我们的测序量涵盖了这些样品中存在的大多数类群。相应地,单个样本的分类群覆盖率估计值为98.6%至99.7%,平均值为99.4%。可以使用QIIME参考方法对序列分类,序列相似性水平为99%。其中,仅在植物计根际检测了9749个OTU(占35.7%),仅在土壤中检出了1736个OTU(占6.4%),但两者中均存在14234个OTU(占52.2%)(图1a)。但是,仅在非根际土壤中或仅在植物计根际中检测到的OTU仅有少数序列,并且仅在一个或很少样品中观察到(图1b);因此,它们只占总观测值的一小部分。对于六个植物物种中的每一个,都鉴定了对根际环境有响应(正向或负向)的细菌。共有3309个OTU对至少一种植物的根际环境通过丰度变化做出了响应,而大多数是由根际和非根际土壤共享的OTU(图1a)。在至少一种植物物种的根际中总共富集了1834个OTU,平均占活跃根际细菌群落中所有序列读数的48.1%。
总共1549个OTU完全源自鸡脚草(Dactylis glomerata)和长叶车前(Plantago lanceolata)的自然生长的样本,但仅出现在一个或几个样品中。种植一年后,鸡脚草和长叶车前植物计的α多样性和活跃的根际细菌群落的组成与自然生长样本相似。因此,对植物计根际细菌进行了所有后续分析。

图1: OTUs在植物根际和非根际土的分布
 

2 活跃的根际细菌群落不同于非根际土壤群落,但也存在多样性

在OUT水平(图2a)以及门/纲水平(图2b),植物计的活跃根际细菌群落的总体组成与非根际土中的显著不同。Schwäbische Alb和Schorfheide grasslands上生长的植物计活跃的根际细菌群落约有4000个OTU,比周围的非根际土丰富。根际或非根际土样品之间或这三个区域之间,香农多样性指数没有差异。然而,与相应的非根际土群落相比,Alb和Schorfheidegrasslands的根际群落均匀度略有下降(图2c)。

 

图2: 植物根际和非根际土细菌群落结构和多样性

 

相比之下,其他几种植物的根际细菌OTU多样性和丰富度降低了,有时甚至对于相同的植物,结果相互矛盾。根际中OTU丰富度的下降归因于根际过程的均质化作用,从而减少了生态位。然而,我们没有观察到在不同的土壤类型和所测试的环境条件下活跃的根际细菌多样性的降低。与某些先前基于DNA的研究存在差异的可能原因是,主要是由休眠细菌组成的分类单元的存在和/或存在寿命长的细菌DNA的存在。两者都可能在受底物限制的非根际土中比在根际中更频繁,因此可能导致基于DNA的非根际土中α多样性和物种丰富度的估算值更高。这反映了在调查底物可利用性不同的环境时,检查细菌活性成分的重要性。根据我们的结果,根际为细菌群落提供了与周围非根际土一样多的机会。 

在本研究中共鉴定出50个细菌门,这些门在非根际土和根际的相对丰度的中值分别是0.0046和0.0015%。总体而言,这八个最丰富的门占植物计根际中检测到的OTU的98.5%,占非根际土中OTU的97.3%。六个植物计植物物种的活跃的根际细菌群落中ActinobacteriaAlphaproteobacteriaBacteroidetesGammaproteobacteria明显富集,而AcidobacteriaPlanctomycetesChloroflexiDeltaproteobacteriaVerrucomicrobia丰度很低(图2b)。已有记载,诸如玉米,生菜和葡萄等植物的根际中,AlphaproteobacteriaGammaproteobacteriaBacteroidetes的含量增加。根据我们的研究结果,中欧草原上六种本地植物物种的活跃的根际细菌群落也普遍存在这种趋势。同样,以前的研究报道了AcidobacteriaChloroflexiPlanctomycetes,和Verrucomicrobia等微生物的减少。但是,以前尚未观察到六个植物物种在根际中活跃的Actinobacteria的大量富集。

对3309 OTU的丰度变化进行了更详细的分析,在每个细菌门或纲中,所有OTU的3–38%对根际有响应。正响应的OTUs在ActinobacteriaAlphaproteobacteria,GammaproteobacteriaBacteroidetes中占主导地位,但在Betaproteobacteria,FirmicutesCyanobacteria中也占主导地位。十个门或纲中,例如DeltaproteobacteriaAcidobacteriaChloroflexiGemmatimonadetes,PlanctomycetesVerrucomicrobia,,涵盖了较大比例的负响应。

两个链霉菌OTU是根际中丰度最高的成员,平均占根际细菌总数的1.57和1.35%。正响应的OTU中只有18.3%属于28属,包括链霉菌,假单胞菌,中生根瘤菌和根瘤菌。但是,剩余的81.7%的OTU未分类或属于259属,到目前为止,尚未探究它们与植物根部可能的有益相互作用。这些细菌包括例如鞘氨醇单胞菌,纤维单胞菌和诺卡氏菌,先前已被描述为能够溶解磷酸盐和产生铁载体。因此,我们的研究确定了许多细菌序列类型,它们代表了未来研究天然草地中植物生长促进或植物致病关系的潜在候选者。在这方面,放线菌属的链霉菌属和诺卡氏菌属,以及前者中的两种强烈响应的序列类型受到特别关注。

 

2 细菌OTU对确定的根系分泌物的特异性反应

细菌对植物根际环境的适应性包括运动性、趋化性、群体感应、脂多糖合成、生物膜形成增加、水平基因转移或特定的底物利用率分布。其中,对单个根分泌化合物的分类群特异性反应可能是根际中细菌群落组装的重要驱动力。因此,我们分析了1834个正响应细菌根瘤菌OTU的丰度与根系分泌物各个极性化合物的相对丰度之间的相互依赖性。

在1345个OTU中可以检测到与至少一种渗出化合物的统计显著正相关,其中655个OTU与化学鉴定的化合物相关(图3)。相比之下,对于969的OTU(图3),发现与至少一个土壤参数的显著正相关,特别是与总氮的相对数量相关。潜在地,与极性渗出的代谢物不相关的其余一些响应者可能会适应其他根际沉积菌,如甲基细菌科成员,据报道它们利用挥发性植物有机化合物,尤其是甲醇。确实,在我们的研究中检测到该家族的10个OTU,但与任何已确定的根分泌化合物都不相关。对于45个OTUs的扁平菌,也有可能发生甲基营养障碍的门也是如此。另外,至少一些根际OTU可能对本研究未涵盖的次生代谢产物和植物聚合物的产生产生响应。

与渗出代谢物观察到的大多数正相关与氨基酸和有机酸有关,尤其是与缬氨酸,异亮氨酸,亮氨酸,苯丙氨酸,水杨酸和丝氨酸有关(图3)。这些化合物很可能被用作营养来源。实际上,通过与BacDive数据库提供的相同属的密切相关菌株的表型特征进行比较,可以证实这些正相关的18.7%。检测到的最强关系之一是属于气单胞菌属的OTU与香豆酸之间的关系。这与该属的几个成员利用香豆酸的能力是一致的,例如A. hydrophilaA. sobria和A.caviae。此外,Sphingobiumpaulinellae, algicolascionense利用N-乙酰氨基葡糖,而Massiilia flava具有色氨酸脱氨酶活性。与所述属的已知生理特性的一致性表明,我们的组合方法还可以提供有关尚未培养的根际细菌底物适应性的信息。

 

图3:根际富集的OTUs与土壤变量和已知代谢物之间显著正相关的热图

 

为了研究根际相关细菌的系统发育一致性,确定了正响应OTU的所有单系统簇的大小,并计算了检测到的簇内的相似度。绝大多数根际富集的OTU构成单一谱系,而206个与另一个根际响应的OTU组成单系群,11个簇包含三个OTU,而总共只有五个OTU。序列簇内的平均相似度为97.6%,中位数为98%,而只有四个值的范围低于属的相似度值。另外,由于NRI和NTI值可以量化分类群在树上的整体聚类,因此可以计算出NRI和NTI值。发现富集根际的细菌OTU在整个树上系统发育过度分散,并且系统发育聚类主要集中于末端分支。这支持了这样的结论,即在较高的分类群内,根际能力的性状在较大的系统发育距离上不是进化上保守的,与根际的适应性可能代表了趋同的细菌性状,这与先前的一些研究相反。水平基因转移可能有助于获得根际能力,因为与非根际土相比,参与水平基因转移的基因在根际中的丰度更高。

 

3 根际细菌组成的多样性与非生物和生物环境有关

当分别分析土壤类型和植物种类时,观察到活跃的根际细菌群落的OTU含量存在显著差异。然而,考虑到香农多样性指数,在不同植物物种的活跃根际细菌群落之间,但在不同土壤中,没有观察到差异。特别是,对组织溶胶的多样性估计显著高于任何其他土壤类型。在非根际土中也观察到了相同的模式,这表明组织溶胶中的特定条件,例如高有机质含量和在涝渍条件下存在的缺氧生境,可能为细菌提供了更多的生态位,并且在根际也导致更高的多样性。同样,组织溶胶的值明显高于其他土壤类型。还观察到细小溶胶和卢维索醇之间存在显著差异。总体而言,土壤类型对活跃的根际细菌群落的多样性和均匀性具有更强的影响,而植物种类和土壤类型对于OTU的丰富度具有相似的重要性。

土壤类型对根际群落之间的群落差异具有更为显著的影响,因为在相同土壤类型下,不同植物物种的根际群落之间的加权UniFrac距离值显著低于活跃的根际细菌群落之间的距离(图4a)。实际上,在不同土壤类型中生长的同一植物物种的根瘤菌群与所有不同植物物种的根瘤菌群一样(图4b)。当分别对每种土壤类型进行分析时,在六种土壤类型中的五种中,同一植物物种内以及不同植物物种之间的根际群落β多样性相似。


图4:土壤类型和植物种类对根际细菌群落相似性的影响


此外,在三个生物多样性区域之间,活跃的根际细菌群落也不同。与Hainich和Schorfheide-Chorin相比,SchwäbischeAlb的样本中Alphaproteobacteria,Deltaproteobacteria, Planctomycetes和Verrucomicrobia的比例更高。相反,来自Hainich的样品有更多的Actinobacteria,而来自Schorfheide-Chorin的样品则富含FirmicutesBacteroidetes。区域之间的这些差异可能是由于细菌群落的空间分隔或由于基岩和成岩作用的系统性差异或区域气候。因为土壤特征的差异也与地理距离成正相关,研究的八种土壤类型中的七种仅出现在勘探区的单个区域中,许多土壤类型之间的物理化学条件差异很大,地理距离的影响与三个地区土壤类型的独特分布和不同的气候相混淆。通过线性模型进行的分析证实,土壤特征的特定地理分布对活动根际细菌群落结构的影响大于地理距离本身的影响。

 

4 草地根际细菌群落变异的潜在驱动因素

环境条件可以通过确定宿主植物的发育阶段和生理状态,从而确定根系分泌物的组成而间接影响植物的根瘤菌组。另外,特定的土壤理化条件可以直接选择根际中的特定细菌种类。当通过方差划分评估本研究涵盖的所有变量对根茎生物组组成差异的定量贡献时,仅土壤特征可解释大部分差异。根系分泌物和土壤特性的协同效应解释了另外9%,而其他植物特性几乎没有影响(图5a)。根据草地场的理化条件和周围的植被,植物密度计的植物个体经历了不同的发育。因此,在方差分区分析中,使用植物生物量来评估植物性能的总体状况,但其对根际细菌群落的影响可忽略不计,并且对极地根系分泌物组成的影响很小。在土壤特征中,土壤质地,含水量和土壤类型是根瘤菌组组成的最主要解释(图5b)。虽然众所周知,理化土壤条件对大量土壤细菌群落的影响要强于土地利用,但我们的结果表明这也是根际细菌组成的事实。

 

图5:OTU水平上活跃的根际细菌群落的变化

 

我们采用SEM方法,更详细地评估了根际和非根际土细菌群落变化的潜在驱动因素。该模型表明,在所有评估变量中,非根际土细菌群落组成的变化是根际结构变化的最直接驱动力六个模型植物物种的群落。周围植物群落的组成和土壤变量发挥了较弱的作用。土壤变量对根际生物组有额外的间接影响,因为它们对土壤中大量细菌群落的组成有影响。值得注意的是,土壤变量决定了从土壤中提取植物植酸计后根系分泌物的组成。相反,在根系分泌物的组成与活跃的根际细菌群落之间没有发现联系(图6)。将SEM分析扩展到第二个NMDS轴,可以发现周围植物群落的组成与根系分泌物之间存在一些其他但较弱的联系,但仍未显示根系分泌物的组成对活跃的根际细菌群落有影响。


图6:结构方程建模

 

当某些单独生长的化合物渗出可能会导致特定模型植物物种的根际细菌群落发生明显变化,而根系分泌物对根瘤菌素组的直接影响可能由于复杂植物中根际之间的相互作用而被掩盖了。极性分泌物或源自周围植物的物种特异性凋落物的选择性作用,当由根部分泌物引发时,其在根际中降解。有人认为,根系分泌物对根茎生物组组装的影响受到时空限制的渗出的限制,这种渗出主要发生在根尖,被其他根状沉积物中也存在的渗出分子的非特异性化学性质,以及渗出物的快速修饰由一些根际细菌引起的。

相反,我们的数据表明,在温带草原上,活跃的根际细菌群落的聚集受到强烈的甚至是唯一的控制,是从非根际土细菌群落中募集来控制的。反过来,非根际土中的微生物群落装配受土壤理化特性的影响。在当地范围内,对于相似的土壤,草地上的植物群落组成被认为是土壤微生物群落的预测指标,这可能是由于不同产地的凋落物的质量、数量和多样性的差异所致。植物群落,被用作非根际土中细菌的主要生长底物。然而,在本研究覆盖的更远距离,不同气候区域和广泛的土壤类型范围内,非根际土细菌群落的β多样性很大程度上受非生物变量的影响,而不受周围植物群落的变化的影响。根际中的生境条件,包括根系分泌物的选择,选择了独特的根际细菌,但这些生境条件似乎并不特定于茂密草地中的单个植物物种,导致了根际生物群落的聚集在很大程度上与寄主植物的物种身份无关。

 

结论


了解草原的养分循环、生产力、患病风险和共生相互作用的控制方法为改善其管理提供了基础,但需要事先深入了解微生物群落动态组成的决定因素。我们对27,268个细菌OTU进行研究确定,从非根际土群落的募集过程是物种丰富的天然草地生态系统中活跃的根际细菌群落组成的主要直接驱动力。我们的研究还发现了许多以前未知的类群,它们参与了根际动态组成,代表了植物根际微生物组未来可操作的合适目标。各个OTU与特定的根系分泌化合物之间的显著联系为其底物的利用提供了首个信息,从而为将来的种植尝试和用作根际接种剂提供了便利。


这里已调用系统的信息评论模块,无需修改!
这里已调用系统的评论列表模块,无需修改!