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
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, Bacteroidetes和Actinobacteria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）。
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 indologenes共7种菌组成的极简微生物组。这7个菌在玉米根系本来就属于高丰度菌。
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. calcoaceticus 和 P. 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。
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
从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在这个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。
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. putida的6种株细菌组成的人工群落。
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。
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, 的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。
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PDA和NA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 和 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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