德国波恩大学于鹏团队在微生物学Top期刊发布最新研究成果

德国波恩大学于鹏团队研究发现特定微生物群可通过调节玉米开花时间增强作物性能。该研究以玉米为实验对象，通过对不同营养限制条件下的玉米单基因根突变体的根转录组和根系及根际微生物组进行测序分析，揭示了支持侧根形成的特定微生物群与玉米开花时间及作物性能之间的关系。研究背景植物根系与土壤微生物间的有益关系对作物适应性和抗逆性至关重要，但不同根部区域微生物群对作物表型的影响尚不清楚。实验材料包括7种基因型和3种营养处理条件。3种处理条件：完全施肥的对照土壤(CK)、不施肥的低氮土壤(LN)、不施肥的低磷土壤(LP)。7种基因型：野生型B73、rtcs突变体、Rum1突变体、lrt1突变体、rth3/rth5/rth6突变体。微生物接种实验：Massilia （野生型N28、C22-4早花突变体）。研究方法采用RNA测序、全长16s rRNA基因测序、二代微生物多样性分析等方法。研究结果根部转录组及不同根部区域细菌群落组成分析转录组主成分分析(PCA)显示不同根组织和处理样品间转录本存在差异，不同组织间转录组差异最大，基因型导致的差异比营养处理效果更显著。这表明影响组织基因表达模式更重要的是根空间分区，而非宿主遗传和非生物胁迫。微生物组分析发现，从块状土壤到根际、根，再到不同组织，微生物群多样性呈递减趋势，细菌群落组成在不同根部区域和根际之间变化强烈，基因型和营养处理条件对细菌群落组成有一定影响。数据表明，根发育过程中，根部转录组的变化和不同根部区域微生物组组成的空间模式是同步的。侧根显著影响宿主基因表达和细菌群落组成将所有基因型分为三组，PCoA和PCA分析表明，突变导致侧根缺损对微生物群落组成和转录组差异的影响比导致根毛受损的影响更强烈。两两比较分析发现，侧根缺陷基因型rum1和lrt1的OTUs比野生型多出100 - 300个差异，而根毛缺陷基因型(rth3、rth5和rth6)的差异要小得多(10 - 20 OTUs)。侧根缺陷突变体与野生型相比，差异表达基因为2000 - 4300个，而根毛缺陷基因型差异表达基因 500个。研究得出侧根突变比根毛突变对宿主基因表达和微生物组成的影响大得多。侧根突变驱动的根微生物组和基因表达的功能预测采用PICRUSt方法评估微生物群落功能潜力，重点关注侧根突变的影响。选取rum1和lrt1侧根缺陷突变体分析发现，相当比例的代谢途径只在lrt1突变体的皮质组织中富集。在次生代谢产物中，黄酮和黄酮醇生物合成是lrt1皮质组织中差异上调最多的代谢途径。相反，在rum1突变体的主根中，吲哚生物碱和甜菜碱的生物合成显著富集。在lrt1突变体中，中柱组织中苯丙素生物合成和咖啡因代谢是仅有的富集途径。根据KEGG途径评估侧根突变体和野生型植物之间差异表达基因的组织特异性代谢潜力，发现氮和氨基酸代谢途径在两种侧根突变体的主根中都显著丰富，但在皮层和柱状组织中都没有。与rum1突变体相比，lrt1突变体的柱状组织在氨基酸和脂质代谢方面具有很大潜力。这些功能预测分析强调了氮代谢的富集与微生物的有利驱动的潜在作用有关。侧根及其根际招募了高度复杂的细菌网络简单物种统计发现，Gemmatimonadaceae、acidobacteraceae、Geobacteraceae和plananctomycetaceae等在土壤中最丰富，从根际到根、皮质组织和中柱组织逐渐减少。在从主根和侧根根际上检测到丰富的Sphingomonadaceae和Xanthomonadaceae。Chitinophagaceae在根和根际均富集。Sinobacteraceae和Polyangiaceae在侧根和主根中富集。Streptomycetaceae主要富集于侧根，特别是Oxalobacteraceae在主根、侧根和皮层中显著富集，是皮层中的优势菌群。相关性分析发现，与OTU3535 (Massilia)正相关的基因富集于“色氨酸生物合成过程”，而负相关的基因预测功能富集于“节律过程”和“RNA生物合成过程”。不同样本Massilia的相对丰度分析发现，Massilia在lrt1突变体中非常丰富，特别是在皮层组织中。特定根部区域中Massilia在与不同功能的宿主基因相互作用中发挥着重要作用，且宿主基因与侧根细菌OTUs之间的相关性比主根更显著。其中OTU3535 (Massilia)与茎部干生物量呈极显著相关，且与侧根中表达的103个基因显著相关，这些相关基因的GO功能主要富集于“昼夜节律”。关键细菌Massilia在侧根中与植物物候和开花发育相关盆栽试验的细菌α多样性分析显示，开花期微生物组丰富度显著高于苗期。比较对照土壤中野生型样品根系中各优势属的相对丰度，检测到3个在不同阶段差异显著的细菌属，其中Massilia丰度最高，但从苗期到开花期