科研 | 中国农科院Front. Microbiol.：薇甘菊的根际微生物组研究为植物适应和入侵提供新见解
编译：逍遥君，编辑：小菌菌、江舜尧。
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薇甘菊（Mikania micrantha）是一种有害的入侵植物，造成巨大的经济损失和生态破坏。土壤微生物组在薇甘菊的入侵过程中起着重要作用，而对其根际微生物组组成和功能知之甚少。
本研究使用从大田采样和盆栽实验的宏基因组学数据，通过与二个共存的本地植物火炭母（Polygonum chinense）、鸡屎藤（Paederia scandens）和大块土壤的比较，我们识别了薇甘菊截然不同的根际微生物群落。
结果表明，解磷细菌Pseudomonas和Enterobacter的富集与薇甘菊根际土壤中速效磷的增加相一致。
此外，还观察到Fusarium oxysporum和Ralstonia solanacearum以及Ⅲ型分泌系统（T3SS）的致病基因在薇甘菊根际含量较少，这可能是由于生防菌Catenulispora、Pseudomonas、CandidatusEntotheonella的富集和参与合成抗生素和聚酮化合物聚酮化合物合酶（PKS）基因的富集从而抑制病原菌。
这些研究结果共同表明，薇甘菊根际富集参与养分获取和病菌抑制的微生物，这在很大程度上增强了其对各种环境的适应和入侵。
论文ID
原名：The Rhizosphere Microbiome of Mikania micrantha Provides Insight Into Adaptation and Invasion
译名：薇甘菊的根际微生物组研究为植物适应和入侵提供新见解
期刊：Frontiers in Microbiology
IF：4.235
发表时间：2020.7
通讯作者：钱万强&樊伟
作者单位：中国农业科学院深圳农业基因组研究所岭南现代农业广东实验室
实验设计
结果
1 根际微生物群的微生物结构
本研究利用NCBI(SRR8936416-SRR8936475)和AGIS ftp-site3中保存的薇甘菊基因组项目的宏基因组数据和非冗余基因集，研究了薇甘菊和两种本地植物（火炭母和鸡屎藤）根际的微生物结构。基因水平的微生物α多样性（Shannon指数）显示对照土壤（块状土壤）和根际之间无显著差异(P>0.05)（图1A）。然而，在基因水平上，NMDS分析揭示了两种本地植物和薇甘菊根际和对照土壤在盆栽试验和入侵地点之间存在明显的微生物群落差异（图1B）。而且，NMDS图显示，盆栽试验与田间入侵地点有明显的分离，表明根际微生物群落在很大程度上受到环境条件的影响（图1C）。在对照和根际群落中发现的优势原核生物在门水平包括Proteobacteria、Actinobacteria、Acidobacteria、Planctomycetes和Chloroflexi（图1D），这与之前Lu-Irving等人的研究结果一致。同时探讨了薇甘菊根际、本地植物根际和对照土壤的群落差异。结果显示，Proteobacteria和Actinobacteria在根际中所占的百分比高于对照土壤，而Acidobacteria在根际中所占的百分比较低（P<0.05，Dunn检验）（图1D）。这表明，一些来自块状土壤的细菌被选择栖息在根际。
2 植物微生物的显著富集
结合盆栽试验和入侵部位分析了薇甘菊和两种本地植物根际属水平的微生物组成。从宏基因组数据来看，通过CARMA3软件可以将基因分类到属水平。根据属水平的reads计数计算每个样本中属的相对丰度。总体上来看，前69个属（相对丰度＞0.01%）占属总相对丰度的94.8%，与块状土壤相比，其中45个属在根际富集（P＜0.05，Dunn检验），大部分属于Proteobacteria和Actinobacteria（图2）。而且，3种植物的根际均有30个属显著富集，包括Bradyrhizobium、Mesorhizobium、Rhizobium、Burkholderia、Paraburkholderia、Methylobacterium、Novosphingobium、Pseudomonas、Enterobacter、Bacillus、Nocardioides和Streptomyces，其中许多种类被认为是对植物有益的微生物。这些微生物可以促进植物营养吸收、提高对非生物胁迫的抗性、控制植物病原物（图2）。这些植物微生物的富集可能有助于植物从根际土壤中获得有益细菌，并整合为根际细菌群。
以往的研究表明，植物种类和品种会影响其根际的组成。本研究中，微生物在薇甘菊和本地植物的根际富集也是有区别的。与火炭母和鸡屎藤的根际相比，Enterobacter、Pseudomonas、Cupriavidus和Phenylobacterium在薇甘菊根际中占比相对较高（图2）。众所周知，许多属于Enterobacter和Pseudomonas的菌种是植物有益微生物，据报道，Cupriavidus和Phenylobacterium参与了土壤有机磷的矿化和降解有机物。相较而言，火炭母根际富集了Variovorax、Bosea和Acinetobacter，并且包含一些可以抑制病原菌、为植物生长提供磷的细菌；鸡屎藤根际富集了Anaeromyxobacter、Frankia、Streptacidiphilus和Amycolatopsis（图2），具有固氮和抗菌活性。综上所述，虽然许多细菌在三种植物中共享，但每种植物根际仍存在独特的微生物，这可能是由于它们的根系渗出物不同。
3 Pseudomonas和Enterobacter的富集可提高磷的溶解度
磷是植物生长发育的必需元素，在植物的许多代谢过程中发挥重要作用，包括光合作用、信号转导、能量转移、呼吸、大分子生物合成和固氮。微生物是土壤磷循环的主要成员，可提高植物的有效磷。我们以前曾报道过，薇甘菊根际的有效磷含量显著高于两种本地植物根际的有效磷含量。
可溶解磷的微生物（PSMs）如Pseudomonas、Bacillus、Enterobacter和Burkholderia，可通过有机物和矿物质中不可用磷的溶解和矿化增加土壤有效磷。这些PSMs富集于薇甘菊、火炭母和鸡屎藤的根际（图3A）；然而，三种植物根际中PSMs的相对丰度不同。Enterobacter在薇甘菊根际富集含量最高，其平均相对丰度分别是火炭母和鸡屎藤根际的7倍和100倍（图3A）；同样，Pseudomonas的平均相对丰度也分别是火炭母和鸡屎藤根际的1.5倍和13倍（图3A）。在薇甘菊入侵的区域，植物生长可促进细菌Pseudomonas putida和Enterobacterasburiae在薇甘菊根际的富集（图3B）。另一方面，Bacillus和Burkholderia在火炭母和鸡屎藤根际富集较多（分别为薇甘菊根际的1.2倍和2.5倍），这也可能是由于土壤不可用磷溶解的增加。综上所述，这些PSMs的加入将有助于提高薇甘菊根际有效磷含量。
接下来，分析了PSM中普遍包含的基因，包括编码磷矿化和溶解酶的基因。编码有机磷矿化的基因，如C-P裂解酶、膦乙酸水解酶和植酸酶，以及编码负责无机磷溶解的无机焦磷酸酶的基因，均富集在薇甘菊和两种本地植物的根际（P<0.05）（图3C）。参与碱性磷酸酶phoD的基因在薇甘菊（P=0.045）和火炭母（P=0.07）根际中含量较多，而phoA无显著差异（P>0.05）（图3C）。其他基因的相对丰度也未见明显差异（P>0.05）（图3C）。这些结果表明，薇甘菊和火炭母根际微生物可能都是通过碱性磷酸酶的磷矿化机制为植物提供有效磷。
图3 薇甘菊和两种本地植物根际土壤有效磷的增加。（A）磷酸盐细菌的相对丰度。（B）Enterobacterasburiae和Pseudomonas putida的相对丰度。在每个箱形图上，中心标记表示中位数，箱形图底部和顶部边缘表示四分位距（IQR），须线代表最大和最小数据点。（C）编码磷溶解和磷矿化的基因的相对丰度。PQQGDH，醌蛋白葡萄糖脱氢酶；InP，无机焦磷酸酶；CPLS，C-P裂解酶亚基；ExP，外多磷酸酶；GDP，甘油磷酸二酯磷酸二酯酶；ALP，碱性磷酸酶；PhH，磷酸盐乙酸水解酶；2APT，2-氨基乙基磷酸盐-丙酮酸转氨酶；PeH，磷酸乙醛水解酶；PhT，磷酸三酯酶；ACP，酸性磷酸酶。C-P裂解酶亚基换算为基因phnF、phnG、phnH、phnI、phnJ、phnK、phnL、phnM、phnN、phnO和phnP的总丰度。误差线表示指定样本的平均值±SEM。各植株和对照土壤根际两两比较采用Kruskal-Wallis检验与Dunn’s多重比较检验（*P <0.05和**P<0.01）。
4 薇甘菊根际微生物区系中病原菌较少
植物相关微生物组作为植物的第二个基因组，对植物生长和健康有很大的影响。为了抑制病菌的攻击，植物可以募集根际的保护性微生物，作为植物先天免疫系统的补充。
分析了侵袭性土传病原体（补充表S3）。尽管在我们的数据中无法检测到许多病原体，但与薇甘菊根际相比，Fusarium oxysporum和Ralstoniasolanacearum的病原体在火炭母（7倍和2倍）和鸡屎藤（6倍和4倍）根际显著富集（图4A）。此外，参与寄主-病原菌相互作用的基因（Ⅲ型分泌系统（T3SS），补充表S4）在鸡屎藤根际（P=0.04）比在薇甘菊根际（图4B）更丰富。植物可以通过分泌抗菌剂或募集具有相关抗菌基因簇的生物防护微生物来抑制病原体攻击。生物防护微生物（补充表S5），如Pseudomonas、Catenulispora和CandidatusEntotheonella，在薇甘菊根际比在两种本地植物中更丰富（图3A，4C）。目前已知属于Catenulispora、Pseudomonas和CandidatusEntotheonella的一些菌种可以通过产生抗生素和聚酮来抑制病原体。在本研究结果中，参与合成可控制植物病害的芳香族聚酮的II型PKS基因（补充表S6）也富集在薇甘菊根际（P=0.002）（图4D），而III型PKS基因在三种植物中没有差异。这些结果表明，生防菌可能通过对薇甘菊根际芳香族聚酮的抗菌作用而减少病原菌的产生。
讨论
植物入侵的成功取决于天敌的释放、营养获取的增强和对物理环境的适应。最近，人们越来越关注土壤微生物与植物入侵之间的相互作用。本研究通过比较入侵植物薇甘菊和两种本地植物（火炭母和鸡屎藤）在入侵田地和盆栽试验中根际群落的分类和功能差异，探讨了土壤微生物在植物入侵中的作用。由于盆栽试验仅持续3个月，且各植株独立生长，无竞争，盆栽试验与入侵部位可见明显的微生物差异（图1C）。然而，无论是盆栽试验还是入侵地，根际都富集了许多植物相关微生物，这些菌属在入侵地普遍高于盆栽试验，表明它们在自然环境中有更重要的作用。入侵植物和相关土壤群落之间的相互作用在入侵范围内发生变化。在本研究中，发现盆栽试验与入侵地的薇甘菊根际微生物存在差异。作为植物杀手，应分析更多的薇甘菊根际微生物在其入侵范围内跨越纬度梯度的田间样品，以了解其性能与土壤微生物之间的相互作用。这可以为控制其传播提供重要依据。通过比较根际和对照土壤中的微生物，我们发现根际Proteobacteria和Actinobacteria的相对丰度高于对照土壤，而对照土壤中Acidobacteria更丰富（图1C）。这种明显地富集可能归因于根际丰富的养分促进了共养微生物，而寡养微生物的生长受到抑制。
入侵物种与本地物种的竞争在很大程度上取决于其对资源的利用能力。磷是植物生长发育所必需的大量营养素，微生物在土壤磷循环和调节磷有效性中发挥重要作用。在这项研究中，发现Enterobacter和Pseudomonas可能有助于增加土壤有效磷含量，并帮助薇甘菊战胜本地物种，最终促进植物入侵（图3A）。虽然当田间和盆栽样品一起分析时，gcd的基因没有显著差异（图3C），但发现它在入侵地的薇甘菊（P=0.0008）和火炭母（P=0.02）的根际显著富集（补充图S1）。田间薇甘菊根际gcd基因相对丰度为火炭母根际的1.2倍，鸡屎藤根际的1.5倍。此外，即使编码碱性磷酸酶的基因在薇甘菊和火炭母根际也处于相似的水平，薇甘菊高度伸长、深而广泛的根系仍可能促进土壤中释放的有效磷的吸收。
入侵植物可能受益于进入新的环境，在这里它们可以逃脱原生范围内的病原体。最近，Ramirez等人通过对欧洲大陆范围扩张植物物种沿纬度梯度的微生物组进行分析，发现在新范围内，与本地物种相比，范围扩张植物携带的病原体更少。这一结果与本研究一致，该研究揭示了与本地植物相比微生物根际中的病原体和致病基因，包括土传病原体F. oxysporum和R.solanacearum，以及T3SS均被耗尽（图4A，B）。相应地，许多生防细菌如Catenulispora、Pseudomonas和CandidatusEntotheonella，它们释放抗生素和聚酮来抑制病原体，这些微生物均在薇甘菊根际富集。此外，薇甘菊倍半萜内酯（STLs）对本地植物具有化感作用和抗菌活性，这也可能导致薇甘菊根际病原菌较少。综上所述，栖息在薇甘菊根际的病原菌较少，保护微生物较多，可能有利于根系生长和养分吸收，从而可能使入侵获得成功。然而，对于薇甘菊在起源地和入侵地的土壤微生物之间的差别并未调查。入侵植物的资源可用性和土壤中病原体释放的证据将需要在本地和入侵范围内进行联合测试。因此，为了全面了解土壤微生物在薇甘菊入侵中的作用，未来需要研究薇甘菊根际在原生境内的宏基因组及其与入侵地的差异。虽然我们展示了三种植物根际微生物群落和功能基因的差异，但观察到的变化将需要进一步的实验研究。
结论
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