LorMe周刊疾病引起的植物微生物组组装和功能适应的变化

作者简介：孙天宇，南京农业大学博士生，主要研究根际核心病原链霉菌介导的细菌菌群相互作用及调控机制。

周报主要展示LorMe团队成员的精彩周报，每周为您提供一场学术盛宴！ 本期周刊向您介绍宿主植物可能会通过调节植物-微生物组信号通路来招募有益微生物来维持自身或其后代的生存。 原文发表于2021年《Microbiome》。

介绍

植物微生物组是宿主植物不可分割的一部分，在植物健康生长中发挥着重要作用。 越来越多的证据表明，植物将有益微生物招募到根际，以抑制土壤病原体的传播。 然而，在病原体入侵条件下控制植物地下和地上部分微生物组组装和功能变化的生态过程尚不完全清楚。 本研究采用扩增子（16S和ITS）和宏基因组方法，研究了我国主要辣椒产区辣椒（Capsicum annuumL.）12个部位（土壤、根、茎、果实等）相关的细菌和真菌群落。 。 ，并研究了镰刀菌枯萎病（FWD）如何影响植物相关微生物组的组装、共现模式和生态功能。

主要成果

1. 植物相关微生物组及其组装影响因素介绍

植物相关微生物群：植物及其相关微生物群共同进化了 4 亿多年，形成了“共生体”。 植物与微生物组之间的相互作用在宿主植物功能和适应性等许多方面发挥着重要作用。 ，包括养分获取、非生物胁迫耐受性和抗病性。 因此，操纵植物微生物组越来越被认为是保护植物健康和提高农业产量的环境可持续方法。 揭示控制植物相关微生物组的组装、共现模式和功能的基本生态模式，以及植物宿主如何调节其微生物组以应对外部胁迫，是利用植物微生物组增强植物健康的先决条件并最大限度地提高农作物产量。 。

影响因素：植物微生物组的组装受到多种生物和非生物因素的影响，如寄主选择（植物和寄主植物遗传的不同部分）、食草动物、气候和土壤类型等。除此之外，病原体入侵是对植物微生物组组装影响最大的生物胁迫之一。 研究表明，受病原体感染的植物根部可以吸引有益微生物来拯救或保护后代（即“呼救”策略）。 寄主植物可以通过释放挥发性有机化合物（VOC）或改变特定的根系分泌物来吸引有益微生物。 植物微生物组中关键群体的有益微生物可以通过启动植物免疫系统、分泌抗生素以及与病原体竞争资源来抑制病原菌。

2. 地下和地上植物微生物组之间的相互联系

越来越多的实验和文献证明，根际是植物的关键区域，其微生物组与植物健康密切相关。 另一方面，叶际微生物组，即栖息在植物地上部分的微生物，可能在植物健康、生产力和生态系统功能中发挥着重要但经常被忽视的作用。 最近的几项研究表明，地上病原体的感染会改变植物根际微生物群落。 此外，根际微生物组作为叶际微生物组的种子库，在决定地上生产力和健康方面发挥着关键作用。 总体而言，研究表明植物的地下和地上微生物组是相互联系的。 然而，迄今为止，大多数相关研究通常集中在根际或叶际微生物群落，对病原菌入侵条件下根际、叶际和内胚层微生物群落的结构和功能的系统了解尚未完成。 此外，微生物群落的组装在很大程度上受到在植物整体健康中发挥作用的无数微生物成员之间相互作用的影响。 共现网络分析已越来越多地用于推断潜在的微生物互连并基于拓扑特性了解群落稳定性。 基于理论建模和数据模拟，模块化程度较高、成员之间正相关性较低、负相关性较高的微生物网络更加稳定。 然而，复杂的植物相关微生物组之间的潜在相互作用以及它们如何应对病原体入侵仍知之甚少。

3. 辣椒相关细菌和真菌群落的组装

镰刀菌枯萎病（FWD）是一种典型的土传病害，危害多种经济作物。 辣椒是世界主要农作物之一，由尖孢镰刀菌引起的辣椒FWD每年都会造成严重的减产。 植物有不同的器官，分为营养器官和生殖器官，每种器官都有特定的功能。 植物可以增强子孙后代的健康水平。 真菌是地下植物源碳的第一批消费者，植物根际的真菌群落对植物变化比细菌群落更敏感，因此作者假设疾病会更严重地影响营养器官，受感染的植物会招募保护性微生物抑制病原菌的生长，预测辣椒真菌群落对FWD比细菌群落更敏感。 最后，考虑到分类组成和生态功能之间存在联系的压倒性证据，作者假设疾病引起的分类组成变化将影响微生物组的功能适应性。 本研究使用扩增子和宏基因组测序方法来检验上述假设，并探索健康和患病植物微生物组之间的分类和功能差异。 我们比较了健康和患病植物微生物组的网络差异，以深入了解群落稳定性和倾向于彼此共存的微生物。

4. FWD影响辣椒微生物组的组装

从 144 个样本中获得了 8,672,206 个细菌 16S rRNA 和 7,677,988 个真菌 ITS 高质量读数。 NMDS和PERMANOVA分析表明，不同部位对总微生物组影响最大（细菌R2=0.47，真菌R2=0.53，P<0.001），其次是FWD（细菌R2=0.06，真菌R2=0.03，真菌，P= < 0.001）和采样点（细菌 R2= 0.01，真菌 R2= 0.02，P < 0.001）（图 1b）。 FWD解释了根部、茎底部表皮、茎中部表皮和木质部、茎上部表皮和木质部以及果实表面中真菌群落变异的比例高于细菌群落（图1c）。 值得注意的是，FWD对辣椒果实中真菌群落的影响小于对茎和根（根/茎/果）中真菌群落的影响（图1c）。 同样，FWD 对茎中细菌群落的影响强于果实（茎/果实）（图 1c）。 对于茎来说，FWD 对细菌和真菌群落的影响在表皮（细菌/真菌）中比在木质部（细菌/真菌）中更明显（图1c）。 相比之下，在大多数站点中，由采样点解释的细菌群落变异的比例高于FWD（图1c）。 此外，根据使用Bray-Curtis相异性的β多样性分析确定，患病植物中的细菌群落（P = 0.012）和真菌群落（P = 0.037）比健康植物中的差异更大（图1d）。 对于每个部分，患病植物中的细菌群落比土壤、健康植物的根部、底部茎表皮和木质部、上部茎表皮和果实表面的细菌群落变化更大。 患病植物的真菌群落比健康植物的大块土壤、根际土壤、中茎木质部、上茎表皮和果实表面的真菌群落变化更大。 作者使用线性混合模型 (LMM) 来探索微生物 α 多样性的最重要驱动因素。 基于香农多样性指数分析表明，植物不同部位是影响细菌和真菌群落α多样性的主要因素（P < 0.0001）。 FWD 对 α 多样性的影响对于真菌 (P = 0.00172) 和细菌 (P = 0.023) 群落均显着。 FWD上茎表皮、下茎表皮、根部和根际土壤中的真菌α多样性显着低于健康植物（P < 0.05，图1f）。 采样点对细菌群落的α多样性有显着影响（P=0.006）； 然而，它对真菌群落的α多样性没有显着影响（P = 0.831）。 此外，从Shannon多样性指数和Chao1丰富度指数来看，水果中真菌群落的α多样性与土壤中的差异不显着（P > 0.05）。

图 1 辣椒细菌和真菌群落的组装。 胡椒植物的示意图，包括地下和地上部分，包括土壤、根、茎和果实。 b 使用方差排列分析 (PERMANOVA) 对 Bray-Cutis 相异矩阵进行非度量多维标度 (NMDS) 排序，显示与细菌（左）和真菌（右）群落组成的显着性相关（细菌和真菌的 R2 = 0.47） R2= 0.53）、枯萎病（R2= 0.06 和 0.03）和采样点（R2= 0.01 和 0.02）。 c 基于排列多元方差分析，FWD 和采样点对各个区室中细菌（左）和真菌（右）群落变化的贡献。 FWD 解释了大多数辣椒部位真菌群落的变异性高于细菌群落的变异性。 dβ 多样性分析（基于 Bray-Cutis 差异）表明，患病植物中的细菌（左）和真菌（右）群落比健康植物中的多样性更高。 ef 健康（红色）和患病（蓝色）植物 12 个部分的细菌和真菌群落的香农多样性指数。

5. 健康植物和患病植物核心微生物群的差异

在健康植物中鉴定出 25 个核心细菌类群和 12 个核心真菌类群，在患病植物中鉴定出 23 个核心细菌类群和 16 个核心真菌类群。 关于成分差异，LMM 分析表明，FWD 对腐生菌的相对丰度有显着影响（P < 0.05），但对任何细菌门没有影响。 丰度差异分析还表明，将两个采样点的病株茎中的银耳与健康植物各部位的样品进行比较。 两个采样点茎表皮类群的富集和损耗均较木质部明显（P < 0.001）。 病株根部和茎部中几种潜在致病真菌的相对丰度也显着高于健康植物（P，图2b和d）。 在患病植物中显着富集的三种镰刀菌 ZOTU（ZOTU4、ZOTU10 和 ZOTU15）也被确定为健康和患病植物中的核心真菌群。 在患病植物中发现了假单胞菌属、链霉菌属、克雷伯氏菌属、肠杆菌属、微杆菌属、芽孢杆菌属、几丁杆菌属和柠檬酸杆菌属的几种潜在有益细菌。 显着丰富。 就不同地点而言，病株中富集的前三位潜在有益菌分别为贵阳的链霉菌属、微杆菌属和假单胞菌属，惠水的芽孢杆菌属和假单胞菌属。 此外，一些潜在的有益细菌在患病菌株中显着富集，包括链霉菌属（ZOTU2）、假单胞菌属（ZOTU16）、假单胞菌属（ZOTU17）和芽孢杆菌属（ZOTU30），这些细菌也被鉴定出。 健康和患病植物中的核心细菌类群。

图 2 火山图说明了与健康器官相比，患病器官中细菌和真菌微生物组的富集和消耗模式。 aFWD 对细菌 ZOTU 丰度的影响（相对丰度 > 0.1%，总共 2549 个）。 这些符号对应于 FWD 富集（正方形）和 FWD 耗尽（三角形）ZOTU。 bFWD 对真菌 ZOTU 丰度的影响（相对丰度 > 0.1%，总共 1030 个）。 c 与健康植物相比，患病植物中潜在有益细菌的相对丰度显着增加（P）。 d 与健康植物相比，患病植物中植物病原真菌的相对丰度显着增加（P < 0.001）。 e 在患病植物中富集的几种细菌 ZOTU 也被鉴定为健康植物和患病植物中的核心细菌群。 f 在患病植物中富集的几种真菌 ZOTU 也被鉴定为健康和患病植物中的核心真菌群。

6. FWD影响辣椒微生物组共现网络

作者通过分析细菌-细菌和真菌-真菌的界内网络以及细菌-真菌的界间网络，研究了 FWD 如何影响辣椒微生物组的共现模式。 基于界内网络分析，作者在细菌网络中记录了更高比例的负边和模块性，并且在细菌网络中记录了比真菌网络更多的节点和边（图3a）。 此外，细菌网络中高度数和接近中心性值的前10个中心节点的边缘与其他节点相比主要呈负相关，尤其是在健康网络中（图3b和c）。 而真菌网络的大多数边缘主要呈正相关（图3b和c）。 此外，健康植物中的细菌网络（基于节点和边缘的数量）比患病植物中的更复杂。 然而，观察到真菌网络的对比模式（图3b、d和e），特别是在惠水遗址群落中。共现网络进一步表明FWD破坏了网络的稳定性并增加了真菌类群之间的内部相关性。 疾病网络中真菌类群的节点和边的数量高于健康网络，而细菌类群中观察到相反的模式（图4a-c）。 BF（细菌-真菌）的界间相关性以负相关为主，而界内相关性则以正相关性为主（图4d）。 健康网络中前10个核心类群是细菌，而患病植物网络中前10个核心类群中真菌类群占一半（图4e）。

图3 王国内共现网络分析

图4 王国间共现网络分析

7. FWD 影响辣椒微生物组功能

作者使用宏基因组测序方法来探索 FWD 可能引起的辣椒相关微生物组的功能变化。 由于茎上部表皮和根部的微生物组对FWD的反应比其他部分更强烈，因此作者选择了惠水遗址的这两个部分进行宏基因组测序。 宏基因组测序数据被分配给 6296 种细菌和 57 种真菌物种。 群落组成的差异丰度分析表明，患病菌株的根部和上茎表皮区室中存在几种潜在有益细菌，例如肠杆菌属、克雷伯氏菌属、柠檬酸杆菌属和假单胞菌属。 与健康植物相比，显着富集（P < 0.001，图 5a）。 几种潜在的致病真菌，如镰刀菌和隐球菌，在患病植物中比在健康植物中更丰富（P < 0.05，图 5b）。 这些观察结果与扩增子测序数据一致（图 2c 和 d）。 宏基因组分析表明，患病植物上茎表皮微生物组的功能组成（即KO、CAZ和ResFam的NMDS排序）与健康植物显着差异（P < 0.05，图5c），但根部与健康植物的根部显着不同（P < 0.05，图5c）。 尽管 FWD 茎上表皮中的 KO (P = 0.0314)、COG (P = 0.0074) 和 Resfam (P = 0.0065) 与微生物组功能多样性降低相关，但未观察到根内微生物组功能多样性的显着变化（图 5D）为了确定 FWD 如何影响微生物组的功能特性，作者进行了差异丰度分析。 患病植物上茎表皮中特定富集或耗尽的微生物组功能性状的数量高于根部（使用健康植物作为基线）。 与健康植物相比，病株根部微生物组中缺失phoD碱性磷酸酶基因（K01113）和mprF肽抗生素抗性基因，而病株茎上表皮微生物组中缺失万古霉素抗性基因簇。植物。 （图5e），此外，一些与植物-微生物组信号通路相关的功能基因在患病根内圈的微生物组中比健康根中更丰富。 例如，与健康植物相比，患病植物根部微生物组中与甲基接受趋化蛋白（MCP；K03406、K05874、K05875 和 K11525）相关的基因的相对丰度增加，并且与 MCP 下游相关的基因也增加。与健康植物相比，患病植物根部微生物组中功能基因的相对丰度也有所增加，例如组氨酸激酶 CheA (K03407) 和嘌呤结合趋化蛋白 CheW (K03408)。

图 5 基于 KO、COG、CAZ 和 ResFam 功能谱的健康植物和患病植物之间微生物组功能多样性中功能基因/模块的丰度差异。

综上所述

根据研究数据，宿主的不同部位对细菌和真菌微生物组组装的影响最大，其次是FWD和采样点。 真菌群落对 FWD 比细菌群落更敏感，并且真菌类群在共现网络中比在健康网络中发挥更重要的作用。 与植物营养器官相比，生殖器官微生物组受 FWD 的影响较小。 辣椒病害部位可能会招募有益的细菌类群，为寄主植物提供保护功能。 目前的研究显着提高了 FWD 对辣椒地下和地上微生物组组装和功能的理解，并建议调节植物微生物组以促进植物健康和可持续农业生产潜力。

论文信息

原名：疾病引起的植物微生物组组装和功能适应的变化

翻译名称：疾病引起的植物微生物组组装和功能适应的变化

期刊：微生物组