植物微生物专题|简化玉米根系细菌群落

  宏观层面科学理论模型是极简洁的,简洁美充分显示了客观规律的特征,在简洁美的后面,我们可以抓住事物的本质结构。同样,微观层面的微生物群落研究过程中,人们发现了同样的规律,简单性和优雅性压倒一切。

植物相关微生物对于宿主生长和健康有十分重要的作用。前期的研究发现,宿主的基因型以及非生物因素都会影响植物相关微生物组,复杂的群落组成使研究微生物组与植物的互作十分困难。

如何人工重建了一个极简、具有代表性的合成细菌群落显得极为重要。

研究思路


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研究结果

Result1


植物宿主具有很强的选择性,根相关群落与根际和非根际土壤中发现的群落明显不同,在玉米微生物组中存在13个相对丰度高的门和17个低丰度的门,Proteobacteria, Firmicutes, BacteroidetesActinobacteria四个菌门占据主要地位。Proteobacteria在玉米根中显著富集,Bacteroidetes在根际富集(下图)。

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微生物类群丰度的柱形图。A,B代表不同土壤样品

这表明玉米幼苗通过选择有限的属建立了根栖菌群落。这一发现表明,有可能通过根的选择,从优势属中组装一个具有代表性的,且比较简单的细菌合成群落。


Result2

通过植物宿主富集实验,采用两种策略方法获取了共38株菌用于最后人工菌群构建实验(下图)。

结果找到了Enterobacter cloacae, Stenotrophomonas maltophilia, Ochrobactrum pituitosum, Herbaspirillum frisingense, Pseudomonas putida, Curtobacterium pusillum 以及Chryseobacterium indologenes7种菌组成的极简微生物组7个菌在玉米根系本来就属于高丰度菌。

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A.简化微生物群落通过宿主富集实现,本文使用了两种策略。1. A. calcoaceticusP. polymyxa 通过第二种策略可以得到,却没有通过第一种策略得到。两种策略都是基于16S rRNA基因测序和CFF进行序列分析。Chryseobacterium rhizosphaerae, A. calcoaceticus, P. polymyxa 只在策略二中使用在图中标为粉色。B.含有7株细菌的人工合成群落在玉米根部的动态过程。检测基于接种0-15天的16S rRNA测序。纵坐标表示每种菌的相对丰度,用16S rRNA序列的百分含量表示。


Result 3

为了准确地确定群落中每个物种的绝对丰度,研究人员探究了依赖培养方法测量菌群丰度的可行性。

实验室探索确定了七种可以和每株菌对应的,只允许一种菌生长的培养条件。

依赖培养的平板计数法与16S rRNA基因测序法测定了7种合成群落组成。两种方法得到了相似的相对丰度和相似的玉米根部的群落组成。说明CFU方法可以用来确定组成是可行的。

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比较依赖培养菌落的方法和16s rRNA测序的方法决定人工重建群落的物种组成,两中统计方法都对细胞悬液(cell mix)和在生长15天的玉米根部定植程度(in planta)基于16s rRNA测序的计数方法得到的结果标记为Reads,基于平板上菌落计数方法的结果标记为CFUs


Result 4


7个物种的简化群落中剔除一个,加上不剔除组一共8组接种无菌苗,统计CFU数观察种群动态变化。结果发现:

E. cloacae这个7种菌中发挥Keystone speices 的作用,当把E. cloacae从这7种菌的群落中移除时,这个极简的微生物群落会完全解体,并且只剩下Curtobacterium pusillum作为高丰度菌存在。

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15天内7种细菌组成的人工群落以及移除任意一种细菌后剩余6种细菌组成的人工合成群落的物种组成的聚类分类。−Sma, Opi, Cpu, Ecl, Cin, Hfr, and Ppu分别代表移除下列细菌S. maltophilia, O. pituitosum, C. pusillum, E. cloacae, C. indologenes, H. frisingense, and P. putida6种株细菌组成的人工群落。

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A图表示7中菌组合的人工合成菌群在15天生长周期的群落丰度变化;图B表示移除了菌株E. cloacae之后剩余的6种菌的群落丰度变化。

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比较分别移除掉不同的1中微生物之后,在第5天,10天及15天中,剩余6个物种的群落以及7个物种的群落的欧式距离变化关系。−Sma, Opi, Cpu, Ecl, Cin,Hfr, and Ppu 分别代表移除下列细菌 S. maltophilia, O. pituitosum, C. pusillum, E. cloacae, C. indologenes, H. frisingense, and P. putida, 6种株细菌组成的人工群落。星号代表具有显著性。

Result 5


那么极简微生物群对寄主植物存在怎样的潜在有益影响?在植物实验中,研究人员发现人工重组微生物群落明显抑制真菌病原Fusarium verticillioides的定殖,对宿主有明显益处。

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模式群落对轮枝镰刀菌的拮抗作用 a.人工合成群落对镰刀菌定植的延迟作用。b.人工合成群落对于镰刀菌菌丝在种子上生长的抑制作用。c.人工合成群落对玉米苗立枯病的生防作用。d.人工合成群落在PDANA培养基上对镰刀菌的体外实验抑制作用。Fve, 只含有 F. verticillioides; Fve+C7, 含有F. verticillioides 和人工合成模式菌落; Fve+H5α, 含有 F. verticillioides E. coli DH5α.


总结:

定殖于植物的微生物是由多个物种组成的复杂群落。复杂的群落组成使研究微生物组与植物的互作十分困难。在本文的工作中,作者人工重建了一个极简,具有代表性的合成细菌群落。从而可以研究在无菌玉米种子上的群落组成的动态过程以及功能。本群落可以抑制植物病原真菌的生长,从而保护植物,这个模式系统可以为今后研究植物与微生物互作提供基础。


参考文献

Simplified and representative bacterial community of maize roots. PNAS, 2017.


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