Science Bulletin：上海植生所王二濤組發(fā)表基于絕對豐度的植物根際微生物群落“擴增-選擇”組裝模型

發(fā)稿時間：1970-01-01來源：

 

2020年3月7日，Science Bulletin在線發(fā)表中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心/植物生理與生態(tài)研究所王二濤課題組及其合作團隊完成的題為 “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 “擴增-選擇” 組裝的新模型。

根際微生物群落“擴增-選擇”組裝新模型：左圖為基于微生物相對量的根際微生物群落“兩步選擇”組裝模型（two-step selection model），右圖為根際微生物群落“擴增-選擇”組裝新模型（Amplification-selection model）。

 

基于絕對豐度的植物根際微生物群落“擴增-選擇”組裝模型

An amplification-selection model for quantified rhizosphere microbiota assembly

Impact Factor：6.28(預計9.61)

DOI：https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.03.005

發(fā)表日期：2020-03-07

第一作者：Xiaolin Wang(王孝林)^1,2

通訊作者：Xuebin Zhang(張學斌)⁴([email protected]), Nan Yu(于楠)²([email protected]), Ertao Wang(王二濤)^1* ( [email protected])

合作作者：Mingxing Wang(王明星)^1,3, Xingguang Xie(謝星光)¹, Siyi Guo(郭思義)⁴, Yun Zhou(周云)⁴

主要單位：

¹中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心(Center for Excellence in Molecular Plant Sciences, Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences)

²上海師范大學生命科學學院(College of Life Sciences, Shanghai Normal University)

³中國科學院大學(University of Chinese Academy of Sciences,)

⁴河南大學生命科學學院(Department of Biology, Henan University)

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，統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)境適應具有重要作用。基于傳統的微生物相對豐度（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）數據，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），該模型認為：微生物依次在根外土（bulk soil）、根際土 (rhizosphere soil) 和根內 (root) 逐步被篩選，形成植物根際特異的微生物群落（圖1g）。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1g）。

 

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菌/真菌的16S/18S rRNA基因的拷貝數差異。因此，相對豐度的研究結果很難與定量的植物生理生態(tài)指標進行聯系，阻礙了我們對于根際微生物生態(tài)功能的理解。

為了克服常規(guī)16S rRNA基因高通量測序研究的局限性，我們采用了以下組合方法 （圖S1）：（1）我們先向根際樣本中添加了已知含量的人工合成的spike-in質粒（spike-in質粒包含隨機排列的堿基序列，隨機序列兩端是16S rRNA基因測序的正反向引物對應序列，隨機序列長度及堿基GC含量與16S rRNA基因測序片段一致），用來定量檢測單位質量根際樣本中細菌16S rRNA基因的總量 （quantified 16S abundance）；（2）我們進一步通過rrnDB數據庫獲取了每種細菌可操作分類單元（Operational Taxonomic Units,OTU）的16S rRNA基因平均拷貝數，然后通過加權平均獲得了每種細菌OTU的絕對細胞數目（quantified bacterial abundance）；（3）我們通過對單拷貝的rpoB基因測序，比較并評估基于16S rRNA基因定量測序計算出的絕對細菌數目的準確性。采用該組合方法，我們定量了蒺藜苜蓿和水稻的根外土、根際土及根內微生物群落的絕對豐度。

圖S1. 一種定量并評估根際微生物絕對豐度的組合方法

通過定量蒺藜苜蓿的根際微生物組，我們發(fā)現平均每克根外土、根際土和根系中細菌16S rRNA 基因的含量為1.1 × 10⁹，1.51 × 10¹⁰和3.28 × 10⁹，根際土中細菌16S rRNA 基因的含量是根外土的13.7倍。當對16S rRNA 基因的拷貝數進行加權后，我們發(fā)現平均每克根外土、根際土和根系中細菌數目為6.91 × 10⁸，6.44 × 10⁹和1.24 × 10⁹，根際土中細菌細胞數目的含量是根外土的9.3倍。表明相對于根外土，細菌的絕對豐度在根際土中是顯著升高的。

 

植物來源的根際養(yǎng)分被認為可以促進化能有機營養(yǎng)細菌在根際的生長，我們推測根際土細菌絕對豐度的顯著升高可能歸因于部分快速生長細菌的根際擴增。我們進一步分析了主要微生物菌門在根外土和根際中的豐度，發(fā)現與根外土相比，主要菌門在根際土中的絕對豐度都顯著擴增，包括變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、酸桿菌門（Acidobacteria）、疣微菌門（Verrucomicrobia）、綠彎菌門（Chloroflexi）、厚壁菌門（Firmicutes）和 芽單胞菌門（Gemmatimonadete）等（圖1a, b），擴增幅度從2倍到30倍不等，最低的是芽單胞菌門（2.44倍），最高的是α-變形菌門（29.86倍）。

 

圖1：絕對定量苜蓿根際微生物群落揭示植物根際微生物群落“擴增-選擇”組裝模型

 

我們進一步在OTU水平分析了細菌類群在根際的擴增情況，發(fā)現基于相對豐度根際顯著排斥的OTU中，其中63.9%的OTU在根際土中實際情況顯著擴增（圖1d-f）。另外，我們發(fā)現與根外土比，在根際土中絕對豐度降低的OTU的測序reads數都很低，表明這種變化很可能是測序深度不足導致的。因而，我們按絕對豐度的比例對根外土、根際土和根內微生物分別進行抽樣，然后計算三組樣本中細菌的α-多樣性。發(fā)現細菌的α-多樣性在根際土中最高，其次是根外土，在根內最低 （圖S5a）。但是如果按照傳統的基于相對豐度的研究方法，不考慮不同樣本中微生物的絕對豐度差異，根外土中細菌的α-多樣性最高，其次是根際土?；谝陨辖Y果，我們認為對于大部分細菌類群來說，其在根際土中都顯著擴增（圖S5b）。

 

圖S5：忽視不同樣本細菌的絕對豐度可能導致α-多樣性的不準確估計

 

對于植物根內細菌群落，我們發(fā)現變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門的絕對豐度顯著高于根外土。根內微生物主要來自于根際，我們進一步分析了根內微生物群落相對于根際微生物群落的比例，發(fā)現放線菌門、γ-變形菌門及Δ-變形菌門從根際土進入根內的比例最大，分別為63%、59%和59%。對于水稻根際細菌群落的分析得出了與苜蓿類似的結論。

 

基于這些研究結果，我們提出根際微生物群落組裝 “擴增-選擇”的新模型，該模型認為，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增，經根際土擴增的微生物進一步被根篩選，形成特異的根內微生物群落。我們把根外土比作“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會，大部分微生物能在“大都市”找到崗位并繁衍擴增。不同微生物擴增倍數可能由微生物自身擴增速率，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“擴增-選擇”新模型，將指導我們定量追蹤植物不同生長周期下其根際微生物的絕對豐度的變化，將根際微生物與植物定量性狀關聯起來，更好利用根際微生物提升農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

 

該工作是中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心/植物生理與生態(tài)研究所王二濤課題組與上海師范大學于楠課題組和河南大學張學斌課題組合作完成的，王孝林博士為第一作者。王二濤研究員，于楠副教授和張學斌教授為論文共同通訊作者。該研究受中國科學院和國家自然基金委的資助。

王二濤

王二濤，博士，研究員，博士生導師，“國家杰出青年基金”獲得者。2003年于河南大學獲學士學位；2008年于中國科學院研究生院獲博士學位；2008-2012年在英國John Innes Centre從事博士后研究；2013年至今，任中國科學院上海植物生理生態(tài)研究所研究員。主要從事豆科植物-根瘤共生固氮，植物-叢枝菌根真菌共生方面的研究。建立植物-叢枝菌根真菌共生營養(yǎng)交換的新理論模型；克隆菌根因子受體復合，并闡述了菌根因子信號轉導途徑等。研究成果以通訊作者發(fā)表在Science, Nature系列, Molecular Plant, The Plant Cell和Cell Research等國際主流學術期刊上，對植物-微生物共生領域有重要影響。

于楠

于楠，博士，副教授。2003于上海交通大學獲學士學位；2010年于中國科學院研究生院獲博士學位；2010-2013年在英國John Innes Centre從事博士后研究；2015至今在上海師范大學擔任副教授。現主要從事植物根部干細胞層命運決定分子機制及豆科植物根瘤發(fā)育分子機理的研究。近年主要研究成果以第一作者或通訊作者發(fā)表在Plant Cell, Nucleic Acids Research, Cell Research, Molecular Plant等國際知名期刊。

張學斌

張學斌，博士，教授，博士生導師。2005于山西農業(yè)大學獲學士學位；2008年于英國諾丁漢大學獲理學博士學位；2008-2011年在英國Rothamsted Research從事博士后工作；2011-2018就職于美國Brookhaven National Laboratory?，F任河南大學生命科學學院教授。主要從事植物苯丙素類化合物合成途徑調控和F-box基因家族功能解析方面的研究。在Nature Communications, Plant Biotechnology, The Plant Cell，Plant Physiology，Molecular plant， Biochemical Journal，FEBS letter等國際知名學術期刊發(fā)表研究論文。

王孝林

王孝林，博士。2013年于江南大學生物工程學院獲學士學位；2018年于中國農業(yè)大學生物學院獲博士學位；2018年至今在中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心從事博士后工作。目前主要研究方向為微生物生態(tài)和植物微生物組。近年在Nature、The ISME Journal、Soil Biology and Biochemistry、Science Bulletin等雜志發(fā)表過論文。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927320301341

Xiaolin Wang, Mingxing Wang, Xingguang Xie, Siyi Guo, Yun Zhou, Xuebin Zhang, Nan Yu & Ertao Wang. An amplification-selection model for quantified rhizosphere microbiota assembly. Science Bulletin. 2020. doi:https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.03.005

官網：http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SB

海外發(fā)行官方：https://www.journals.elsevier.com/science-bulletin

Science Bulletin是由中國科學院和國家自然科學基金委員會共同主辦、《中國科學》雜志社出版的自然科學綜合性學術刊物, 致力于快速報道自然科學各學科基礎理論和應用研究的最新研究動態(tài)、消息、進展, 點評研究動態(tài)和學科發(fā)展趨勢。要求文章短小精悍, 可讀性強, 能在比較寬泛的學術領域產生影響。

2018年影響因子：6.277

預計2019年影響因子 > 9.61

歷史：Science Bulletin原名CHINESE SCIENCE BULLETIN，歷史悠久，自1997即獲得首個影響因子0.3至2016年止影響因子1.649，年發(fā)稿量在600篇左右。

當今：2015年雜志起更名為Science Bulletin，對稿件質量有了更高的要求，年發(fā)文量下降至200篇以內，2016年獲得首個影響因子4.902，至2018年跨越式發(fā)展，影響因子達6.277。在中國科技期刊國際影響力提升計劃、中國科研全面發(fā)展和更嚴格的文章質量控制的背景下，該雜志今年預計影響因子可達9.61，甚至突破10，值得同行關注。

該技術是一種將qPCR絕對定量技術和常規(guī)16S擴增子測序技術合二為一的技術，該技術不但可以進行Alpha多樣性分析、群落組成分析、Beta多樣性分析、指標和微生物相關性分析等常規(guī)16S擴增子測序分析，關鍵可以解析樣本中總細菌的絕對拷貝數，還可以解析樣本中每個物種的絕對拷貝數，因而對微生態(tài)學內許多懸而未決的問題具有進一步闡明的潛力。此外，該技術進行細菌拷貝數定量時，構建標準曲線的內標和樣本DNA是在同一個樣本孔中一起進行PCR反應，所以PCR反應效率相同，因此校正了腐殖酸對PCR的影響，避免了腐殖酸等PCR抑制物對樣品細菌16S拷貝數定量的影響，因此針對土壤、水體和淤泥等環(huán)境樣本，天昊生物16S擴增子絕對定量測序技術計算得到的細菌16S拷貝數相對于qPCR更準確。目前天昊微生物16S擴增子絕對定量測序技術平臺已經完成項目百余個，合作單位包括中國科學院微生物研究所、中國科學院南京土壤研究所、中國科學院水生生物研究所、同濟大學環(huán)境科學與工程學院、廈門大學環(huán)境與生態(tài)學院、中國農業(yè)大學、南京農業(yè)大學、東北農業(yè)大學、重慶市農業(yè)科學院、鹽城工學院、南京財經大學、南京中醫(yī)藥大學、武漢大學中南醫(yī)院、新疆醫(yī)科大學公共衛(wèi)生學院、山東大學齊魯醫(yī)院等多個單位，覆蓋環(huán)境土壤微生物，環(huán)境水體微生物和醫(yī)學腸道微生物等多個領域，利用該技術的項目文章成功陸續(xù)發(fā)表在環(huán)境科學與生態(tài)學TOP期刊《Science of the Total Environment》（IF= 5.589）和應用化學1區(qū)期刊《Carbohydrate Polymers》（IF=6.044）上，目前該技術因其創(chuàng)新性、準確性和穩(wěn)定性受到客戶的廣泛好評，熱烈歡迎各位老師與我們交流溝通！

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