揭示拟南芥根系细菌微生物群的结构和组装线索

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

植物根定义了多细胞真核生物与土壤之间的界面,土壤是地球上最丰富的微生物生态系统之一1。土壤细菌能够在根内繁殖为良性内生菌并调节植物的生长和发育2,其影响范围从提高作物生产力3到植物修复4。内生定植代表了植物先天免疫的明显悖论,因为植物细胞可以检测一系列微生物相关分子模式(也称为MAMP)以启动免疫反应以终止微生物繁殖5。一些研究试图描述细菌根内生菌的结构6;然而,不同的采样协议和低分辨率分析方法使得难以推断一般原则。在这里,我们描述了表征和比较土壤和生根细菌群落的方法,这不仅揭示了代谢活跃的植物细胞的功能,而且还揭示了选择土壤细菌进行宿主定植的惰性细胞壁特征。我们显示拟南芥的根在受控环境条件下生长在不同的天然土壤中,优先被Proteobacteria,Bacteroidetes和Actinobacteria定殖,并且每个细菌门由主要类别或家族代表。土壤类型定义了根系细菌群落的组成,宿主基因型在一定程度上决定了它们的核糖型谱。在根部居住组件内识别土壤类型特定成员支持我们的结论,即这些代表土壤来源的根内生菌。令人惊讶的是,其他测试植物物种的植物细胞壁特征似乎为大约40%的拟南芥细菌根系栖息微生物群的组装提供了足够的线索,对Betaproteobacteria有偏见。因此,该根亚群可能不具有特异性但是腐生细菌,其自然会在测试土壤中的任何植物根或植物碎片上发现。相比之下,放线菌成员对拟南芥根的定殖取决于来自代谢活跃的宿主细胞的其他线索。




图1 |高分类等级的分类群定义了与根相关的细菌群落的构建块。a、 在所示隔室中检测到的Chloroflexi门的平均相对丰度(%6s.e.m.)。b、 在所示土壤类型的根室中检测到的主要门(.5%)的平均相对丰度(%6s.e.m。)。c、 属于根室中三个主要门的家族的平均相对丰度(%6s.e.m.)。在b和c中,在去除分配给Chloroflexi的读数后计算平均相对丰度。星号表示与土壤和根际隔室相比,根隔室中显着富集(Benjamini-Hochberg错误发现率(FDR)调整的P值,0.05)。


图2 |拟南芥组装了一个独特的根系细菌微生物群。a-g,科隆土壤样品(a-d)和高尔姆土壤(e-g)样品中OTUs(0.5%)的区室特异性和相对丰度。a、 所有OTU的三元图。每个圆圈代表一个OTU。每个圆圈的大小代表其相对丰度(加权平均值)。每个圆的位置由所示隔室对总相对丰度的贡献决定。图中的虚线网格和数字表示每个隔间贡献增加20%(见补充方法)。深蓝色圆圈标记在根室中显着富集的OTU(FDR,0.05)。b、 类似于包括木材隔间的三元地块。OTU显着富集根(深蓝色,rOTUs),木材丰富的群落成员(橙色,wOTUs)和根和木材隔间(浅蓝色,莲花)共享的OTU(FDR,0.05)。c、 富含根和木材的OTU相对丰度的热图。垂直列表示样本,水平行表示OTU。样本聚类(顶部)基于OTU共现。左侧的颜色代码表示b.d中定义的OTU区室特异性,rOTUs,lOTUs和wOTUs亚群的分类组成。图表中每个部分的大小与分配给指定分类群的OTU的累积相对丰度成比例。e、 所示土壤中莲花和轮状菌的数量(FDR,0.05)。f、 在指定的区室中OTU Actinocoralia sp。的相对丰度(平均6s.e.m。)。星号表示在所有其他指示的隔室中根隔室显着富集(FDR,0.05)。g、 在所示拟南芥生态型的根室中OTU Actinocoralia sp。的差异相对丰度(平均6s.e.m。)。星号表示显着差异(FDR,0.05)。




图4 |自然生长的拟南芥植物保留了土传细菌的根选择性。a、 从自然(黑色)和受控温室环境(有色)收集的样品的Bray–Curtis差异。OTU计数稀少到每个样本1000个计数和具有相对丰度的OTU。5%被纳入分析。b、 在科隆或戈尔姆土壤和天然生长的拟南芥植物的受控环境条件下发现的根相关亚群落之间共享OTU的百分比(基于图2e中所示数字的比较)。c、 在温室实验中鉴定的显示莲花(浅蓝色)和轮状(深蓝色)的指示隔室中OTU(.5%)的相对丰度和比例贡献的三元图。d、 在指定的区室中OTU Actinocoralia sp。(平均6s.e.m.;n.d.,未检测到)的相对丰度。星号表示根和根际之间的显着差异(FDR,0.05)

方法摘要:本研究中使用的天然土壤和所有方法的详细说明可以在补充信息中找到。拟南芥生态型Shakdara和Landsberg erecta在长日照条件下(16小时光周期)以确定的种植密度在装满天然科隆或戈尔姆土壤的盆中生长,并在开花初期收获根。将木Fagus和Betula夹板插入土壤中至约4cm的深度,并将未种植的土壤盆置于与具有活植物的盆相同的条件下。收获最上面3cm的根和土壤培养的木材,洗去粘附的土壤并定义为“根际隔室”。洗涤后,对根和木质碎片进行超声处理以除去细菌表面生物膜并富集内生细菌('root'/'wood'隔室)。使用MP Bio Fast DNA for Soil Kit进行所有区室的DNA提取。条形码细菌16S rRNA基因PCR扩增子使用先前描述的引物17,18的修改版本与着陆PCR程序(补充表6)组合以产生宿主rRNA基因扩增。凝胶纯化扩增子(Qiagen),合并并在454 Titanium平台(Roche)上测序。我们使用SILVA7数据库对454个读数进行了分类。对于基于OTU的分析,我们使用PyroTagger19筛选高质量序列和97%序列同一性的簇。使用R中开发的一系列软件包和脚本进行统计分析。使用对数转换相对丰度的缓和t检验获得来自两个区室或相互作用项的样品之间基于OTU或SILVA的分类计数的显着差异。纠正了多重假设检验。如前所述进行CARD-FISH实验,稍作修改20,21。如前所述记录SEM显微照片22。

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