揭示擬南芥根系細(xì)菌微生物群的結(jié)構(gòu)和組裝線索

Bulgarelli, D., Rott, M., Schlaeppi, K. et al. Revealing structure and assembly cues for Arabidopsis root-inhabiting bacterial microbiota. Nature 488, 91–95 (2012). https://doi.org/10.1038/nature11336原文地址

植物根定義了多細(xì)胞真核生物與土壤之間的界面器联,土壤是地球上最豐富的微生物生態(tài)系統(tǒng)之一1恕刘。土壤細(xì)菌能夠在根內(nèi)繁殖為良性內(nèi)生菌并調(diào)節(jié)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育2锡凝,其影響范圍從提高作物生產(chǎn)力3到植物修復(fù)4。內(nèi)生定植代表了植物先天免疫的明顯悖論躲查,因?yàn)橹参锛?xì)胞可以檢測(cè)一系列微生物相關(guān)分子模式(也稱為MAMP)以啟動(dòng)免疫反應(yīng)以終止微生物繁殖5危虱。一些研究試圖描述細(xì)菌根內(nèi)生菌的結(jié)構(gòu)6玖翅;然而脚曾,不同的采樣協(xié)議和低分辨率分析方法使得難以推斷一般原則东且。在這里,我們描述了表征和比較土壤和生根細(xì)菌群落的方法本讥,這不僅揭示了代謝活躍的植物細(xì)胞的功能苇倡,而且還揭示了選擇土壤細(xì)菌進(jìn)行宿主定植的惰性細(xì)胞壁特征。我們顯示擬南芥的根在受控環(huán)境條件下生長(zhǎng)在不同的天然土壤中囤踩,優(yōu)先被Proteobacteria旨椒,Bacteroidetes和Actinobacteria定殖,并且每個(gè)細(xì)菌門由主要類別或家族代表堵漱。土壤類型定義了根系細(xì)菌群落的組成综慎,宿主基因型在一定程度上決定了它們的核糖型譜。在根部居住組件內(nèi)識(shí)別土壤類型特定成員支持我們的結(jié)論勤庐,即這些代表土壤來(lái)源的根內(nèi)生菌示惊。令人驚訝的是,其他測(cè)試植物物種的植物細(xì)胞壁特征似乎為大約40%的擬南芥細(xì)菌根系棲息微生物群的組裝提供了足夠的線索愉镰,對(duì)Betaproteobacteria有偏見米罚。因此,該根亞群可能不具有特異性但是腐生細(xì)菌丈探,其自然會(huì)在測(cè)試土壤中的任何植物根或植物碎片上發(fā)現(xiàn)录择。相比之下,放線菌成員對(duì)擬南芥根的定殖取決于來(lái)自代謝活躍的宿主細(xì)胞的其他線索碗降。




圖1 |高分類等級(jí)的分類群定義了與根相關(guān)的細(xì)菌群落的構(gòu)建塊隘竭。a、 在所示隔室中檢測(cè)到的Chloroflexi門的平均相對(duì)豐度(%6s.e.m.)讼渊。b动看、 在所示土壤類型的根室中檢測(cè)到的主要門(.5%)的平均相對(duì)豐度(%6s.e.m。)爪幻。c菱皆、 屬于根室中三個(gè)主要門的家族的平均相對(duì)豐度(%6s.e.m.)。在b和c中挨稿,在去除分配給Chloroflexi的讀數(shù)后計(jì)算平均相對(duì)豐度仇轻。星號(hào)表示與土壤和根際隔室相比,根隔室中顯著富集(Benjamini-Hochberg錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率(FDR)調(diào)整的P值叶组,0.05)拯田。


圖2 |擬南芥組裝了一個(gè)獨(dú)特的根系細(xì)菌微生物群。a-g甩十,科隆土壤樣品(a-d)和高爾姆土壤(e-g)樣品中OTUs(0.5%)的區(qū)室特異性和相對(duì)豐度船庇。a吭产、 所有OTU的三元圖。每個(gè)圓圈代表一個(gè)OTU鸭轮。每個(gè)圓圈的大小代表其相對(duì)豐度(加權(quán)平均值)臣淤。每個(gè)圓的位置由所示隔室對(duì)總相對(duì)豐度的貢獻(xiàn)決定。圖中的虛線網(wǎng)格和數(shù)字表示每個(gè)隔間貢獻(xiàn)增加20%(見補(bǔ)充方法)窃爷。深藍(lán)色圓圈標(biāo)記在根室中顯著富集的OTU(FDR邑蒋,0.05)。b按厘、 類似于包括木材隔間的三元地塊医吊。OTU顯著富集根(深藍(lán)色,rOTUs)逮京,木材豐富的群落成員(橙色卿堂,wOTUs)和根和木材隔間(淺藍(lán)色,蓮花)共享的OTU(FDR懒棉,0.05)草描。c、 富含根和木材的OTU相對(duì)豐度的熱圖策严。垂直列表示樣本穗慕,水平行表示OTU。樣本聚類(頂部)基于OTU共現(xiàn)妻导。左側(cè)的顏色代碼表示b.d中定義的OTU區(qū)室特異性逛绵,rOTUs,lOTUs和wOTUs亞群的分類組成栗竖。圖表中每個(gè)部分的大小與分配給指定分類群的OTU的累積相對(duì)豐度成比例暑脆。e渠啤、 所示土壤中蓮花和輪狀菌的數(shù)量(FDR狐肢,0.05)。f沥曹、 在指定的區(qū)室中OTU Actinocoralia sp份名。的相對(duì)豐度(平均6s.e.m。)妓美。星號(hào)表示在所有其他指示的隔室中根隔室顯著富集(FDR僵腺,0.05)。g壶栋、 在所示擬南芥生態(tài)型的根室中OTU Actinocoralia sp辰如。的差異相對(duì)豐度(平均6s.e.m。)贵试。星號(hào)表示顯著差異(FDR琉兜,0.05)凯正。




圖4 |自然生長(zhǎng)的擬南芥植物保留了土傳細(xì)菌的根選擇性。a豌蟋、 從自然(黑色)和受控溫室環(huán)境(有色)收集的樣品的Bray–Curtis差異廊散。OTU計(jì)數(shù)稀少到每個(gè)樣本1000個(gè)計(jì)數(shù)和具有相對(duì)豐度的OTU。5%被納入分析梧疲。b允睹、 在科隆或戈?duì)柲吠寥篮吞烊簧L(zhǎng)的擬南芥植物的受控環(huán)境條件下發(fā)現(xiàn)的根相關(guān)亞群落之間共享OTU的百分比(基于圖2e中所示數(shù)字的比較)。c幌氮、 在溫室實(shí)驗(yàn)中鑒定的顯示蓮花(淺藍(lán)色)和輪狀(深藍(lán)色)的指示隔室中OTU(.5%)的相對(duì)豐度和比例貢獻(xiàn)的三元圖缭受。d、 在指定的區(qū)室中OTU Actinocoralia sp该互。(平均6s.e.m.贯涎;n.d.,未檢測(cè)到)的相對(duì)豐度慢洋。星號(hào)表示根和根際之間的顯著差異(FDR塘雳,0.05)

方法摘要:本研究中使用的天然土壤和所有方法的詳細(xì)說(shuō)明可以在補(bǔ)充信息中找到。擬南芥生態(tài)型Shakdara和Landsberg erecta在長(zhǎng)日照條件下(16小時(shí)光周期)以確定的種植密度在裝滿天然科隆或戈?duì)柲吠寥赖呐柚猩L(zhǎng)普筹,并在開花初期收獲根败明。將木Fagus和Betula夾板插入土壤中至約4cm的深度,并將未種植的土壤盆置于與具有活植物的盆相同的條件下太防。收獲最上面3cm的根和土壤培養(yǎng)的木材妻顶,洗去粘附的土壤并定義為“根際隔室”。洗滌后蜒车,對(duì)根和木質(zhì)碎片進(jìn)行超聲處理以除去細(xì)菌表面生物膜并富集內(nèi)生細(xì)菌('root'/'wood'隔室)讳嘱。使用MP Bio Fast DNA for Soil Kit進(jìn)行所有區(qū)室的DNA提取。條形碼細(xì)菌16S rRNA基因PCR擴(kuò)增子使用先前描述的引物17,18的修改版本與著陸PCR程序(補(bǔ)充表6)組合以產(chǎn)生宿主rRNA基因擴(kuò)增酿愧。凝膠純化擴(kuò)增子(Qiagen)沥潭,合并并在454 Titanium平臺(tái)(Roche)上測(cè)序。我們使用SILVA7數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)454個(gè)讀數(shù)進(jìn)行了分類嬉挡。對(duì)于基于OTU的分析钝鸽,我們使用PyroTagger19篩選高質(zhì)量序列和97%序列同一性的簇。使用R中開發(fā)的一系列軟件包和腳本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析庞钢。使用對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換相對(duì)豐度的緩和t檢驗(yàn)獲得來(lái)自兩個(gè)區(qū)室或相互作用項(xiàng)的樣品之間基于OTU或SILVA的分類計(jì)數(shù)的顯著差異拔恰。糾正了多重假設(shè)檢驗(yàn)。如前所述進(jìn)行CARD-FISH實(shí)驗(yàn)基括,稍作修改20,21颜懊。如前所述記錄SEM顯微照片22。

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