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水稻驯化过程对种子内生细菌和真菌的影响

来源:admin    发布时间:2020-08-26   阅读数:116

本周给大家推荐Microbiome上的一篇佳作,作者通过对43种水稻的研究,探索水稻驯化和品种形成对细菌和真菌群落多样性和组成的影响。本文分析思路严谨新颖,分析方法全面,大家赶紧往下看吧!

Can rumen bacteria communicate to each other?

水稻驯化过程对种子内生细菌和真菌的影响

作者:Hyun Kim1, Kiseok Keith Lee1, Jongbum Jeon2, William Anthony Harris1 and Yong-Hwan Lee1,2,3,4,5*

期刊:Mirobiome

时间:2020.02.14

IF:10.465

DOI:10.1186/s40168-020-00805-0


一、研究背景

千百万年来,地球上的生命由自然选择、基因突变和遗传漂移等驱动一直在进化,而农作物有独特的进化过程,就是人类干预的驯化过程,包括水稻、小麦、土豆等经济作物。通过驯化,农作物的品种多样化增加,其质量和产量等表型都得到提高,但表型不仅取决于自身的遗传信息控制,还受相关微生物群落影响。植物驯化对相关微生物的多样性和群落结构也会产生影响,而植物种子独立包裹着驯化过程塑造的稳定微生物群落,受外界环境影响小,并且可垂直遗传给下一代,适合用于研究微生物在宿主驯化过程的变化。

作者共选用43种水稻,其中17种野生型水稻和26种驯化型水稻,用于研究水稻驯化和品种形成对细菌和真菌群落多样性和组成的影响。


二、研究结果

1、水稻种子微生物群落结构变化

作者分别针对43种水稻的种子的细菌16S rRNA的V4区域和真菌的ITS2区域进行扩增子测序,同时添加PCR抑制剂降低植物线粒体和质粒DNA的非特异性扩增影响,最终聚类得到364个细菌OTU和356个真菌OTUs,其中在门水平占主导的细菌是变形菌(Proteobacteria,83.8%),而占主导的真菌是子囊菌(Ascomycota,84.9%)。为了研究种子微生物群落的影响因素,作者首先将水稻基因型作为研究对象,通过CAP分析发现水稻基因型解释了细菌总变异的24.2%和真菌总变异的20.3%(图1),可见基因型对水稻种子细菌与真菌群落的影响有显著差异。作者基于水稻叶绿体序列和种子微生物群落分别构建进化树来研究水稻品种与微生物群落之间的关系,通过对比发现,基于细菌构建的进化树与水稻叶绿体进化树显著一致,而真菌进化树则无此现象,可推测水稻种子细菌群落与水稻品种形成的相关性强于真菌群落。


图1.水稻种子细菌与真菌CAP分析结果


2、水稻种子微生物受驯化的影响

作者通过CAP分析了驯化对水稻种子微生物的群落的影响,结果表明驯化解释了细菌总变异的6.9%和真菌总变异的13.9%,可推测驯化对真菌群落的影响大于细菌群落。但鉴于水稻种子是从不同地理位置获取的,因此作者通过PERMANOVA分析地理位置对微生物群落的影响,发现地理位置助长了真菌群落的变化,但效果远小于驯化。随后作者通过分析野生稻与驯化稻的α多样性来深入研究驯化对微生物群落的影响。针对细菌群落,驯化稻的OTUs数量高于野生稻,但针对真菌群落,野生稻的α多样性多样性高于驯化稻,除此之外,作者发现无论是细菌群落还是真菌群落,相比于野生稻,驯化稻的OTUs均匀度更低。

为了进一步分析驯化对OTUs的影响,作者选取reads支持数大于200的OTUs构建聚类热图,发现OTUs共聚成8类,其中7类OTUs在驯化稻中聚集,只有1类在野生稻中聚集。以此为基础,作者设定|log2 Fold change| > 2, FDR?<?0.01作为差异分析的条件,在细菌群落中共找到224个OTUs在野生稻中富集,39个OTUs在驯化稻中富集;在真菌群落,共找到167个OTUs在野生稻中富集,18个OTUs在驯化稻中富集,作者推测是驯化导致微生物群落的多样性降低(图2. a,b)。


图2.a,b:水稻种子细菌与真菌OTU差异分析;c,d:随机森林分析


同时,作者分别选择真菌与细菌中丰度排名前20的OTUs进行随机森林模型分析,分析结果发现在细菌中,变形菌与放线菌和水稻的驯化相关(图2.c);在真菌中,野生稻与驯化稻分别有各自的主要优势菌(图2.d),表明,优势菌的转换是种子真菌群落对驯化的主要反应。


3、驯化稻与野生稻种子微生物网络分析

上述分析表明细菌与真菌对驯化的反应显著差异,因此推测野生稻与驯化稻中的微生物共存模式会有区别,因此作者根据微生物(包括细菌和真菌)丰度计算相关性系数,将符合|cor | > 0.3且P<0.05的关系分别构建了驯化稻与野生稻微生物网络(图3.a)、只有野生稻的微生物网络(图3.c)和只有驯化稻的微生物网络(图3.e)。从网络图可明显发现只有野生稻的微生物网络复杂性远高于只有驯化稻的,推测野生稻中的微生物多样性高且彼此关系紧密,驯化稻在驯化后的微生物多样性降低,而驯化稻与野生稻微生物网络复杂度低是由于驯化稻与野生稻之间的差异明显。作者进一步使用Gephi分析从网络图寻找核心OTUs,在只有驯化稻的微生物网络中确认了一个核心细菌OTU,说明细菌在驯化过程的重要性;而在只有野生稻的微生物网络中共确认了两个核心真菌OTUs和一个核心细菌OTU,说明在野生稻中真菌可能比细菌的作用更重要(图3.g)。

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图3. 野生稻与驯化稻种子微生物网络图

4、水稻种子微生物垂直传播的证据

驯化稻与野生稻的微生物网络侧面说明存在保守的微生物群落,作者设定在所有水稻样本中出现比例超过95%的细菌OTUs和80%的真菌OTUs为保守OTUs(图4),分析通过Venn图发现细菌群落在驯化过程中似乎比真菌更为保守。而保守OTUs暗示着可能在水稻代代相传,因此作者将43种水稻根据起源关系分为8个系列,并进一步分析母本相同品种之间的微生物组成,发现直接育种的微生物群落相似度最高,垂直传播的其次,说明母源传播是水稻种子微生物群落传播的主要途径。


图4. 野生稻与驯化稻种子微生物保守OTU分析


三、亮点与总结

1、样本种类多样和全面,保证结论可靠

2、驯化对水稻种子微生物群落的塑造有确定性作用

3、分析思路严谨新颖,分析方法全面



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