论文题目：长期干旱使水稻根系微生物组组成发生持久性的变化

Prolonged drought imparts lasting compositional changes to the rice root microbiome

DOI：https://doi.org/10.1038/s41477-021-00967-1

评论文章题目：干旱抑制微生物组发育

Drought dampens microbiome development

Nature plants [IF:15.793]

DOI：https://doi.org/10.1038/s41477-021-00977-z

发表日期：2021-07-22

第一作者：Christian Santos-Medellín^1,4,Zachary Liechty¹

通讯作者：Venkatesan Sundaresan(sundar@ucdavis.edu)^1,3

评论作者：Yi Song(宋毅)²

评论通讯作者：Cara H. Haney (cara.haney@msl.ubc.ca)²

主要单位：

^1,3,4美国加州大学戴维斯分校(University of California, Davis, Davis, CA, USA)

²加拿大英属哥伦比亚大学(Department of Microbiology and Immunology, The University of British Columbia, Vancouver, British Columbia, Canada;Michael Smith Laboratories, The University of British Columbia, Vancouver, British Columbia, Canada)

写在前面

2021年7月22日，Nature Plants发表加州大学戴维斯分校Venkatesan Sundaresan课题组《Prolonged drought imparts lasting compositional changes to the rice root microbiome》研究论文。同期，英属哥伦比亚大学Cara Haney团队应邀撰写了评论文章《Drought dampens microbiome development》(图1)。本期邀请了该评论文章第一作者宋毅博士(将于21年9月受聘为南方科技大学助理教授)综合两篇文章进行相关介绍。

图1 英属哥伦比亚大学Cara Haney课题组对该工作进行的简要总结图

a 干旱胁迫会对根际土中微生物组造成剧烈影响，富集放线菌等菌群。但是解除干旱胁迫后可以较大程度恢复到胁迫前水平；

b 长期干旱胁迫会对水稻根系内皮层微生物组造成剧烈而持久的影响，其显著特征为放线菌群的富集，且解除干旱胁迫后不能完全恢复；

c 模仿原文数据所绘制的短期干旱和长期干旱对根际(rhizosphere)和根内皮层(endosphere)微生物组成熟度的影响。

全球气候变化加剧了极端天气出现的频率和持续时间，使得极端非生物胁迫成为影响作物产量和品质的重要因素。多项研究表明干旱胁迫显著影响不同植物根系微生物组构成，其特征性变化为放线菌的显著富集[1]。放线菌门是一类适应土壤环境的革兰氏阳性细菌，诸多株系(如链霉菌属等)也具有促进植物生长和增强逆境耐受性的能力。不同植物根内皮层链霉菌丰度与物种抗旱性存在显著相关性[2]，这都暗示干旱胁迫下微生物组的变化可能影响植物的干旱适应性。

有趣的是，尽管多项研究证实短期干旱胁迫下根系微生物组会发生剧烈的变化，但在恢复水分供给后微生物组可以很大程度上迅速恢复到胁迫前的状态(生态系统具有恢复力)[3]。与之形成鲜明对比的是即使是短期的肠道渗透压胁迫(如通便剂PEG成分)也会在小鼠肠道中造成持续性的微生物组紊乱[4]。在植物中逆境胁迫结束后是否会对微生物组造成持久性扰动依然不清楚。

原论文主要数据和结论总结如下

加州大学的Venkatesan Sundaresan课题组长期关注水稻根系微生物组结构[5]、发育[6]，以及干旱胁迫下微生物组变化特征等科学问题[7]。近期该组创新性的研究了不同持续时长(11天，21天和33天)的干旱处理(图2)对水稻根系微生物组(包括根内皮层和根际微生物组)变化的影响。通过样品间beta多样性距离分析发现短期干旱胁迫结束后其微生物组构成可以迅速恢复到接近对照组的水平，而中长期干旱处理结束之后依然会对根系微生物组(尤其是内皮层微生物组)产生剧烈而持续的影响(图2)。通过DESeq2差异分析软件鉴定了干旱胁迫前后相对丰度发生变化的菌群，并系统性划分为瞬时和持续性丰度变化的微生物菌群(图3)。该分析发现超过80%的内皮层半永久性富集菌群为放线菌，且对应链霉菌的OTU1037355(Operational Taxonomic Units，代表细菌16S rRNA基因 物种特异区域序列)菌群在干旱处理后其相对丰度从较低水平迅速上升为丰度最高的菌群(图4)。通过根系微生物分离最终鉴定出一个Streptomyces sp. SLBN-177对应OTU1037355。在半无菌系统中接种SLBN-177后可以在干旱胁迫下促进水稻根系生长，这可能对植物吸收土壤深层次的水分和干旱适应性至关重要（图4）。值得一提的是，通过横向的比较微生物组研究，发现该链霉菌OTU1037355在来自于此前不同年份不同地域的多项研究中都以较高的丰度存在于水稻根系微生物组中，且在此前研究中也在干旱胁迫中显著富集。说明这是一类能够天然定殖水稻根系，广泛存在于不同地域的水稻核心微生物组成员，且能够在干旱环境中促进水稻根系生长，因而可能具有农业应用潜力。

图2 长期干旱后恢复水分依然会对植物根系微生物组构成造成剧烈且持续性的扰动

a 实验中不同干旱时长处理示意图，在植物个体成熟后(40天)分别进行了11 天(DS1)，21天(DS2)和33天(DS3)的缺水处理，WC：water control；

c,d 不同处理条件下根际(c)和根内皮层(d)微生物组样品beta多样性随年龄的变化趋势。y轴代表所有样品在基于加权weighted UniFrac 距离进行的PCoA分析中第一维度(PCo1)的相对距离，不同样品在特定时间点的纵向差异可以反映不同微生物组样品组成之间的矩阵距离(差异程度)。

图3 干旱胁迫前后根际和根内皮层微生物组中瞬时和永久性变化的菌群统计

瞬时变化指解除干旱胁迫后其相对丰度迅速恢复到处理前水平，永久性(persistent)或半永久性(semipersistent)变化指解除干旱后其相对丰度依然维持在干旱处理水平较长一段时间。纵坐标代表不同处理条件下变化菌群相对丰度之和。不同颜色指代不同门(phylum)菌群所占比例，数据可见内皮层中半永久性富集的菌群绝大多数为放线菌(Actinobacteria)。

图4 单个放线菌类群在干旱胁迫下迅速富集为相对丰度最高的菌，且解除干旱后依然持续性维持较高的丰度

a 诸多半永久性(semipersistently)富集的放线菌类群(OTU)以较高的丰度存在于绝大多数样品中。横坐标代表log转换后的相对丰度，纵坐标代表能够检测到该OTU的样本占总样本的比例。上部分数据来自根际微生物组样品，下部分数据来自根内皮层微生物组；

b 单个放线菌OTU1037355类群在干旱胁迫下成为内皮层中相对丰度含量最高的OTU，且解除干旱后依然维持较长时间的高丰度(半永久性富集)；

c 通过菌群分离鉴定出对应OTU1037355的链霉菌株系SLBN-177，其接种后能够在干旱条件下促进根系生长。

该课题组前期工作借鉴人类肠道微生物组年龄预测的算法[8]，将基于机器学习的微生物组成熟度预测引入植物微生物组发育进程研究之中[6]。在本论文中也使用了浇水对照组的微生物组数据训练随机森林机器学习模型，并鉴定出能够有效预测微生物组年龄的65个高丰度菌群。在此基础上可以评估不同胁迫下微生物组的预测年龄，并与真实植株年龄相比得到微生物组成熟度指标。结果表明短期干旱(11天)对微生物组成熟度发育的影响较小，但是中长期干旱(21天,33天)能够显著延缓微生物组的正常成熟度发育进程，且在解除干旱后依然不能完全恢复(图5)。

图 5 干旱阻滞了正常的微生物组发育成熟进程

a 基于机器学习算法的根际和根内皮层微生物组年龄评估。正常浇水对照组微生物组样品用于训练随机森林算法，并进一步用于评估不同干旱处理组的微生物组年龄。持续干旱处理组使得微生物组预测年龄显著低于真实的植株年龄；

b 不同处理组微生物组成熟度变化趋势，干旱处理显著降低微生物组成熟度，且解除干旱后依然不能完全恢复；

尽管多项工作确立了干旱胁迫下链霉菌在不同植物根系微生物组中显著富集的表型，但是这种富集是由于植物主动招募导致还是由于链霉菌本身更能够适应干旱土壤环境依然不完全清楚。目前的证据倾向于支持前一种可能性：1.干旱胁迫对根相关微生物组的影响要比无植物对照土壤或牙签(模拟死植物根系)对照组微生物组的影响更加剧烈；2.此外，根系代谢组学研究表明干旱胁迫下3-磷酸甘油含量最为显著富集，而根系菌群宏转录组数据表明菌群中3-磷酸甘油转运基因大量上调[3]；3. 近期根系菌群宏基因组研究表明干旱条件下细菌中铁转运相关功能得以富集，且植物根中铁转运相关基因显著下调。玉米根系铁载体相关突变体(影响正常铁吸收)根系微生物组中也富集放线菌，从而在遗传上证实植物的缺铁响应可以产生与干旱胁迫类似的根系放线菌富集表型[9]。这都说明植物代谢主动参与调控干旱胁迫下根系微生物组变化，而在肠道系统中渗透压胁迫本身所导致的被动菌群变化可以基本解释菌群变化趋势[4]，这可能是根系生态系统与肠道生态系统逆境响应存在差异的地方。

该论文的重要发现在于首次揭示长期的干旱会对水稻根际微生物组造成持续性的不可逆是扰动，其中持续性富集的链霉菌菌群可能在干旱解除之后依然能够为植物提供长期的“记忆性”的胁迫保护。该文章也暗示植物在非生物胁迫下同样存在“cry for help”招募益生菌增强适应性的机制。对该现象的研究可以加深我们对植物塑造微生物组机制以及对自身适应性的认识。

附：有趣的是，Nature Plants期刊也极具娱乐性的在其网站上发表了由原作者设计的歌曲名称清单，该歌曲清单间接的使用不同歌曲名称组合构成了该课题中的主要事件关键词，如Where is All the water? It’s drought；Streptomyces；Straight to Number one(指代相对丰度剧烈富集)等歌曲名。

图 6 原作者设计的歌曲播放清单阐述该论文关键事件的关键词

见Nature plants主页链接：http://open.spotify.com/playlist/0huYu8DLAVkqmFslm3Dlvt?si=e3af6c1135a54990&nd=1

Reference

Christian Santos-Medellín,Zachary Liechty,Joseph Edwards, Bao Nguyen,Bihua Huang,Bart C. Weimer,Venkatesan Sundaresan. Prolonged drought imparts lasting compositional changes to the rice root microbiome. Nature Plants (2021). https://doi.org/10.1038/s41477-021-00967-1

Yi Song,Cara H. Haney. Nature Plants (2021). https://doi.org/10.1038/s41477-021-00977-z

1. Naylor, D., et al., Drought and host selection influence bacterial community dynamics in the grass root microbiome. Isme j, 2017. 11(12): p. 2691-2704.
2. Fitzpatrick, C.R., et al., Assembly and ecological function of the root microbiome across angiosperm plant species. Proc Natl Acad Sci U S A, 2018. 115(6): p. E1157-E1165.
3. Xu, L., et al., Drought delays development of the sorghum root microbiome and enriches for monoderm bacteria. Proc Natl Acad Sci U S A, 2018. 115(18): p. E4284-e4293.
4. Tropini, C., et al., Transient Osmotic Perturbation Causes Long-Term Alteration to the Gut Microbiota. Cell, 2018. 173(7): p. 1742-+.
5. Edwards, J., et al., Structure, variation, and assembly of the root-associated microbiomes of rice. Proc Natl Acad Sci U S A, 2015. 112(8): p. E911-20.
6. Edwards, J.A., et al., Compositional shifts in root-associated bacterial and archaeal microbiota track the plant life cycle in field-grown rice. Plos Biology, 2018. 16(2).
7. Santos-Medellín, C., et al., Drought stress results in a compartment-specific restructuring of the rice root-associated microbiomes. MBio, 2017. 8(4).
8. Subramanian, S., et al., Persistent gut microbiota immaturity in malnourished Bangladeshi children. Nature, 2014. 510(7505): p. 417-21.
9. Xu, L., et al., Genome-resolved metagenomics reveals role of iron metabolism in drought-induced rhizosphere microbiome dynamics. Nature communications, 2021. 12(1): p. 1-17.

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