研究人員提出根際微生物群落“擴(kuò)增-選擇”組裝新模型

3月7日，Science Bulletin 在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究組及其合作團(tuán)隊(duì)完成的題為An amplification-selection model for quantified rhizosphere microbiota assembly 的研究論文，該研究基于微生物絕對豐度提出了植物根際微生物群落“擴(kuò)增-選擇”組裝的新模型。

在自然界中，植物根系與大量的微生物互作，這些微生物定殖在根際土中，或附著于根系表面，或定殖于根內(nèi)，統(tǒng)稱為植物根際微生物組。植物根際微生物對于植物的生長發(fā)育和環(huán)境適應(yīng)具有重要作用?；趥鹘y(tǒng)的微生物相對豐度（the relative abundance，通過高通量測序16S/18S rRNA基因獲得環(huán)境樣本中各微生物群落的相對組成）數(shù)據(jù)，研究人員提出了根際微生物群落的兩步或多步篩選組裝模型（two-step selection model 或者multi-step selection model），該模型認(rèn)為：微生物依次在根外土（bulk soil）、根際土 (rhizosphere soil) 和根內(nèi) (root) 逐步被篩選，形成植物根際特異的微生物群落（圖示）。其中變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）和放線菌門（Actinobacteria）是根際富集的主要菌群，而酸酐菌門（Acidobacteria）是根際排斥的主要菌群（圖示）。

基于微生物相對豐度的研究描述了不同植物物種根際微生物的群落組成及多樣性，但忽略了單位質(zhì)量或體積中不同微生物群落的絕對豐度（the absolute abundance）。另外，基于16S/18S rRNA基因的相對豐度研究忽視了不同細(xì)菌/真菌的16S/18S rRNA基因的拷貝數(shù)差異。因此，相對豐度的研究結(jié)果很難與定量的植物生理生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行聯(lián)系，阻礙了人們對于根際微生物生態(tài)功能的理解。

通過定量蒺藜苜蓿的根際微生物組，研究人員發(fā)現(xiàn)平均每克根外土、根際土和根系中細(xì)菌16S rRNA基因的含量為1.1 × 109，1.51 × 1010和3.28 × 109，根際土中細(xì)菌16S rRNA基因的含量是根外土的13.7倍。當(dāng)對16S rRNA基因的拷貝數(shù)進(jìn)行加權(quán)后，研究人員發(fā)現(xiàn)平均每克根外土、根際土和根系中細(xì)菌數(shù)目為6.91 × 108，6.44 × 109和1.24 × 109，根際土中細(xì)菌細(xì)胞數(shù)目是根外土的9.3倍。表明相對于根外土，細(xì)菌的絕對豐度在根際土中是顯著升高的。進(jìn)一步分析根內(nèi)微生物群落相對于根際微生物群落的比例，研究人員發(fā)現(xiàn)放線菌門、γ-變形菌門及Δ-變形菌門從根際土進(jìn)入根內(nèi)的比例最大，分別為63%、59%和59%。

基于這些研究結(jié)果，研究人員提出根際微生物群落組裝“擴(kuò)增-選擇”的新模型，該模型認(rèn)為，與根外土相比，主要菌門在根際土中的絕對豐度都被顯著擴(kuò)增，經(jīng)根際土擴(kuò)增的微生物進(jìn)一步被根篩選，形成特異的根內(nèi)微生物群落。研究人員把根外土比作“鄉(xiāng)村”或者“沙漠”，把根際土比作“大都市”或者“綠洲”，相對于營養(yǎng)較為貧乏的“鄉(xiāng)村”，“大都市”可以為微生物提供更多的工作機(jī)會(huì)，大部分微生物能在“大都市”找到崗位并繁衍擴(kuò)增。不同微生物擴(kuò)增倍數(shù)可能由微生物自身擴(kuò)增速率、微生物與微生物互作、植物與微生物互作等因素決定。根際微生物群落組裝的“擴(kuò)增-選擇”新模型，將指導(dǎo)人們定量追蹤植物根際微生物群在不同生長周期絕對豐度的變化，有助于將根際微生物與植物定量性狀關(guān)聯(lián)起來，以便更好利用根際微生物提升農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。(生物谷世聯(lián)博研Bioexcellence）

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