柑橘根际微生物群落结构与功能分析解读

柑橘根际微生物群落结构与功能分析解读

美格基因

该研究运用扩增子和宏基因组技术，对柑橘根际微生物组的结构和功能组成进行了全面综合的分析，为指导微生物分离和培养，利用微生物组的能力来改善植物生产和健康提供了有价值的参考。

柑橘根际微生物群落结构与功能分析

The structure and function of the global citrus rhizosphere microbiome

作者：Jin Xu, Yunzeng Zhang, Tao Jin, et al.

期刊：Nature Communication

时间：2018.11

IF：12.35

DOI: 10.1038/s41467-018-07343-2

一、研究背景

柑橘是一种重要的多年生水果作物，根际微生物对柑橘的健康生长和发育起着重要作用。本文对柑橘根际微生物的结构特征和功能组成进行了细致的研究。

从具有明显生物地理差异的6个区域采集柑橘根际和非根际土壤样品，进行扩增子和宏基因组测序分析；同时对植物-微生物和微生物-微生物互作调节、营养获取和植物生长促进等突出的功能特性进行了分析。研究结果给指导微生物分离培养、利用微生物提高植物产量、促进植物健康提供了重要的参考。

二、实验设计

1. 样品采集

根据不同的柑橘种类、土壤类型、气候类型及其他土壤特点，从6个大洲、8个国家的23个柑橘产区采集柑橘根际和非根际土壤样品。

2. DNA提取和测序

提取土壤DNA。用扩增子技术（16S rDNA、ITS2）和宏基因组测序技术对DNA样品进行测序，每个样品分别产生3万条clean reads和30G数据。

3. 测序数据分析

样品中微生物群落结构和功能分析。

图1 采样点的地理分布

三、主要结果

1. 柑橘根际微生物群落的分类特征

被注释到的unigene 中有99.55%都属于原核生物（细菌和古菌），0.17%属于真核生物（真菌、原生动物、藻类和植物），0.02%来自病毒。在门水平上，根际土壤中优势物种包括细菌变形菌门、放线菌门、酸杆菌门、拟杆菌门，真菌包括子囊菌门和担子菌门，扩增子和宏基因组的测序结果高度一致。

在根际和非根际土壤中微生物的α多样性、PCoA和VPA分析结果均无显著差异。柑橘根际土壤中细菌（变形菌门和拟杆菌门）丰度高，古菌（泉古菌门、广古菌门和奇古菌门）丰度低。根际和非根际土壤中真菌在门水平的相对丰度没有显著差异。在属水平上，根际土壤中含量丰富的微生物有142种（主要集中在变形菌门和拟杆菌门），然而，比非根际微生物丰度低的有160种（主要是蓝藻、厚壁菌门、放线菌门和古菌门）。

图2 柑橘根际/非根际微生物分类学特征和多样性比较分析

2. 柑橘根际的核心微生物类群

将在根际和非根际土壤中共有且在75%的样品中均存在的微生物认定为核心微生物类群，从2193种微生物（属水平）中挑选丰富高的132种为核心物种。核心物种变形菌门中的假单胞菌、脓杆菌、慢生根瘤菌、纤维弧菌等都是植物益生菌，它们能平衡植物激素、调节根的生长、促进营养吸收、阻止疾病侵袭。此外，核心微生物还包括在根际土壤中富集到的真菌子囊菌属，非致病真菌镰胞菌和被毛孢属是可以控制线虫和真菌侵染的生防真菌。在植物遭受胁迫的条件下外瓶霉属和炭疽菌属能通过调节植物激素产生和磷的吸收来保护植物生长。

图3 柑橘根际核心微生物分布特征

3. 柑橘根际核心微生物的功能特征

柑橘根际和非根际微生物的unigene稀释分析没有达到平衡，表明这两类样品的微生物多样性和复杂性。9.88×107条有功能注释的unigene富集到了15610个KO上，这些KO涉及23个KEGG level 2通路。在根际土壤中鉴定出1620种核心功能特征和1400种次级功能特征，前者包括植物-微生物互作、微生物-微生物互作和微生物营养获取通路，后者涉及遗传信息处理和新陈代谢通路。

这些结果说明根际土壤中宿主-微生物互作及微生物-微生物互作的发生频率比非根际样品的高。值得注意的是，CRISOR相关免疫的KO主要富集在非根际样品中。

图4 柑橘根际微生物核心功能特征

营养物质可以影响根际微生物群落结构。微生物的营养来源包括根际中丰富的植物衍生物，因此也在核心微生物中注释到了与营养运输和芳香族降解有关的KOs代谢途径。另外，在根际微生物中涉及固碳、肽酶代谢途径的KOs较少，说明微生物可以从植物分泌物中获得简单碳源及氨基酸的供应，这也就是根际土壤缺少光合微生物的原因。总之，在根际微生物中富集到的很多核心KOs对植物都是有益的。

图5 根际微生物核心及稀少KO的相对丰度比较分析

四、小结与亮点

1. 在微生物群落结果检测方面，扩增子和宏基因组的测序结果高度一致。

2. 有注释信息的柑橘根际微生物序列只占测序数据的小部分，绝大部分为细菌。这说明目前已有的原核生物参考基因组无法满足柑橘根际微生物样品的物种注释需求。

3. 根际和非根际样品中丰度高的共有物种只有变形菌门、放线菌门、酸杆菌门和拟杆菌门，它们同样也是其他植物根际的优势物种。柑橘根际微生物在不同的地理环境下的组成结构相似。少数优势物种可以成为未来研究柑橘生产测试的对象。

4. 核心根际微生物与柑橘的生长和健康息息相关，该研究可以为研究微生物互作及微生物-柑橘互作提供基础。