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生态位分化塑造了苏铁微生物群的多样性和组成

来源:admin    发布时间:2020-08-31   阅读数:95

Niche differentiation rather than biogeography shapes the diversity and composition of microbiome of Cycas panzhihuaensis

生态位分化塑造了苏铁微生物群的多样性和组成

作者:Ying Zheng,Xun Gong

期刊:Microbiome

时间:2019.12

影响因子:10.465


一、研究背景

植物相关微生物被称为植物的第二基因组,而植物跟相关的微生物在植物营养吸收、发育和免疫中均能发挥重要作用,从而成为研究热点。而在这些互相作用的关系中,共生是使双方都受益的方式,如微生物为宿主提供各种必须营养物质,促进植物生长并提高对环境的适应性,而植物可为微生物提供稳定的生存环境。植物的不同部分所包含的微生物群落组成会大不相同,而大部分微生物被认为来源于土壤,推测迁移途径是土壤微生物迁移到根际后侵染宿主的根部,逐渐在内部游移并定殖,此为水平迁移;而另一种迁移方式为微生物在宿主体内继续游移到种子或花粉来传播到下一代,此为垂直迁移。

苏铁是雌雄异株的裸子植物,主要通过虫媒授粉,可在干旱和缺乏营养的环境生长。目前已有关于苏铁根系微生物多样化的研究,但是关于苏铁内生微生物的起源和迁移方式仍未知。


二、实验设计

1、来自昆明植物园栽培的苏铁,取花粉、胚珠、种子、未受精种子、根与根际土壤。

2、来自攀枝花国家自然保护区的野生苏铁,取种子、根与根际土壤。

 

三、实验结果

1. 测序整体评估

针对32个样本的16S rRNA基因的V4-V5区域进行扩增子测序,共得到1816516条Raw reads,经过质控后共得到1156635条Clean reads,其中1036034条Clean reads注释为细菌序列,其余的推测为古菌、叶绿体或线粒体序列。对ITS1区域进行扩增子测序共得到1984142条Raw reads,经过质控和注释后得到806432条真菌Clean reads。利用细菌的Greengenes数据库和真菌的UNITE数据库进行注释,分别获得13907个细菌OTUs和3320个真菌OTUs。在 16S rRNA基因的分析结果发现在土壤中检测到的细菌OTU数量是最多而胚珠中的细菌OTU数量最少,真菌的分析结果表示在胚珠中的真菌OTU反而是最多的,在根中检测到的真菌OTU最少。

表1.苏铁各部位的细菌与真菌OTU分布情况

2. 多样性分析

稀释曲线显示无论是细菌数据还是真菌数据均已达到饱和状态。针对细菌的数据,通过稀释曲线可见土壤样本中的微生物多样性远高于其他样本,Simpson多样性指数分析也表明土壤的细菌多样性明显高于其他样本,而真菌数据的稀释曲线和Simpson多样性指数均显示样本之间的多样性相差较小,堆叠图分析也同步印证此结论(图1)。针对细菌的数据,基于Bray-Curtis在各个分类层级进行主成分分析(PCA)发现土壤样本与其它样本无法聚集,侧面说明土壤的微生物群落结构与其他样本相差较大,而种子样本与根样本的群落结构与其它样本也有一定的变化。组间Adonis检验结果表示无论是在OTU水平还是在科水平,土壤和根部的细菌样本均与其余四种样本之间存在明显差异,而胚珠与花粉之间也检测到显著变化。

图1. 各样本真菌与细菌的物种组成堆叠图

3. 各样本优势物种分析        

来自昆明的样本共鉴定出23个细菌科和14个真菌科,来自攀枝花的样本共鉴定出18个细菌科和9个真菌科,各科的相对丰度在各样本中有明显区别。在昆明的种子样本的优势家族是柄杆菌科,其次是肠杆菌科;而伯克氏菌科在攀枝花的种子样本相对丰度最高。在昆明采集的未受精种子样本和胚珠样本中肠杆菌科的相对丰度最高,而在花粉中丛毛单胞菌科的比例是最高的。假诺卡氏菌科在昆明的根样本的丰度较高而在攀枝花根样本中最高的是束丝放线菌科,特别的是红螺菌科在攀枝花的种子、根与土壤中均被检出,并且在三组间显著差异。丛赤壳科是在昆明各个样本中丰度最高的真菌家族,而发菌科是在昆明各个样本间显著差异的真菌家族但是丰度较低。

综合考虑微生物在各个样本中的丰度和差异分析的结果,共分析得到19个细菌标志家族和25个真菌标志家族(表2)。其中肠杆菌科是主要的种子标志家族,而来自昆明的土壤的主要标志家族是生丝微菌科,来自攀枝花的土壤标志家族是芽孢杆菌科。

表2.标志家族列表(部分)


四、结果讨论

1、微生物传播形式

土壤是地球上最丰富的微生物生态系统之一,是微生物的理想栖息地,而根际微生物群落通过入侵并定殖进入到植物根部,并且可通过水平转移从土壤中获得新微生物来实现群落更新。而植物在地上的组织内部的微生物来源主要有两种途径,一是来自于空气中的微生物水平传播;二是通过种子的垂直传播,在本文中未受精种子和胚珠中的优势物种和整体微生物群落结构相似也印证这点。

2、地理位置对微生物群落结构的影响

攀枝花的气候干燥炎热而昆明气候温暖潮湿,因此两个地方的土壤特性相差较大,再考虑到两地的耕种模式的差异,导致两地的微生物群落结构高度独立。但是驱动真菌和细菌群落的因素可能会有所不同,有研究报道龙舌兰的细菌群落主要受样本类型影响,而真菌主要受地理距离影响。

3、优势菌群的生态功能

争论贪噬菌(Variovorax paradoxus)是一种可以增强植物抗病性和应激耐受性的细菌,在苏铁的各个部分中都被检出,但相对丰度不高。这些微生物可辅助苏铁在环境较为恶劣的地方生存。



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