ISME | 土地利用史决定了土壤微生物对植物生理学的影响（国人作品）
中国科学院南京土壤研究所王兴祥等人于2018年10月27日在《The ISME Journal》上发表题目为《Legacy of land use history determines reprogramming of plant physiology by soil microbiome》。该研究表明土壤栽培史对当前作物的根际微生物具有重要的影响，并且根际微生物组成与植物表型紧密相关。
研究摘要
与根相关的微生物被认为是扩展植物表型的一部分，其在营养物的获得，生长激素的产生和对疾病的防御中起作用。由于作物从土壤中选择性地富集大多数根际微生物，我们假设由农业管理引起的土壤群落组成的变化会影响扩展的植物表型。
在本研究中，我们对花生（Arachis hypogaea）根茎微生物组进行了鸟枪宏基因组测序，并对不同的管理历史，花生单作和轮作的土壤中花生植物根进行了元转录分析。
我们发现过去的种植记录对花生根际微生物群落组成有显著影响，表明土壤记忆效应。单作导致根际微生物多样性的减少，几种稀有菌种的富集，以及与植物性能相关的代表性状降低，例如营养代谢和植物激素生物合成。此外，在单作土壤中，花生的生长显著降低，同时与激素生产相关的基因表达下调，主要是生长素和细胞分裂素，以及与脱落酸、水杨酸、茉莉酸和乙烯途径相关的基因表达上调。
这些研究结果表明，土地利用历史影响作物根际微生物组和植物生理学。
文中主要图片说明
图1 本研究中关键实验安排流程图。a：在代表性的高地田地上建立了实验地块。b：从2012年3月开始，在两个种植系统（处理）下管理试验田：（a）花生单作，（b）花生与其他作物交替2年轮作。c：在2016年种植季节开始时，从六块地中的每一个中随机收集土壤样品（0-20cm层）并用于盆栽培养实验。每块地都随机采集五个土壤样本，并转移到五个盆中，盆中生长花生植物。d：在收获时，汇集来自每个田间地块的五个盆的植物和根际土壤样品。在随后的（e）分析中，每个田间作物系统进行三个独立的重复。
图2 a：基于谱系特异性加权UniFrac分析，第一个（PC1）和第二个（PC2）主要坐标解释了在单作和轮作土壤中栽培的花生根际细菌群落具有显著变化（p <0.05）。MP：单作土壤的花生根际，RP：轮作土壤的花生根际。
图2 b：群落多样性的比较，单作土壤中花生根际微生物多样性明显低于轮作土壤。“-1”，“ - 2”和“-3”是重复的样品。星号表示单作和轮作土壤之间的显著差异（p <0.05）。
图2 c：与在轮作土壤中栽培的花生根际相比，在单作土壤中栽培的花生根际细菌属的相对丰度的倍数变化。倍数变化定义为（MP-RP）/ MP，其中MP是单作土壤中细菌属的相对丰度，RP是轮作土壤中细菌属的相对丰度。红色，折叠变化> 2。显著：> 1％，常见：0.1-1％，稀有：<0.1％。
图3 与植物生长促进功能相关的主要的差异丰富基因。倍数变化定义为（MP-RP）/ MP，其中MP是单叶土壤中的基因表达水平，RP是轮作土壤中的基因表达水平。绿色：单作土壤花生根际，基因下调;红色：单作土壤花生根际，基因表达上调。
图4 a：花生盆栽。实验表明，单作土壤中花生生长（由右y轴表示长度和左y轴表示重量）显著低于轮作土壤。b 花生的无菌蛭石栽培。实验表明，暴露于从单一土壤中提取的细菌悬浮液时，花生生长（右y轴表示长度和左y轴表示重量）也降低。MP，在单作土壤中生长的花生; RP，在轮作土壤中生长的花生。给出了三次重复的平均值和标准偏差。星号表示单作和轮作土壤样本之间的显著差异（p <0.05）
图5 a：热图，显示了在单作和轮作土壤中栽培的花生的不同基因表达模式。颜色条表示log10（RPKM）值，范围从绿色（-4.0）到红色（4.0）。顶部，基因树;右面，样本树。MP，在单作土壤中生长的花生;RP，在轮作土壤中生长的花生。
图5 b：花生植物激素信号通路基因表达分析。彩色框表示单个基因的表达，右图表中的热图表示单作土壤花生中通路基因的表达水平与作物轮作土壤中花生的表达水平。 绿箱，下调基因; 红箱，上调基因。