摘要
不同植物物种的根部被细菌群落定植，即使宿主共享相同的栖息地，这些细菌群落也是不同的。目前仍不清楚宿主在多大程度上主动选择这些群落，以及共生菌是否适应特定的植物物种。为了解决这个问题，我们从光叶百脉根的根和根瘤中收集了一个序列索引的细菌培养物，其中包含以前用元基因组学鉴定的大多数物种的代表。我们在一个多物种悉生系统中分析了来自光叶百脉根和拟南芥的分类学配对的合成群落，并在群落背景下检测到共生细菌的宿主偏好特征，但在单体关联中没有检测到。顺序接种实验揭示了根部微生物群组装过程中的优先效应，其中已建立的群落对后来者的入侵具有弹性，而且共生细菌的宿主偏好赋予其同源宿主竞争优势。我们的研究结果表明，来自不同分类群的共生细菌的宿主偏好与它们对立地根系的入侵性有关。它们对常住根系相关群落的入侵性。
图1 莲花和拟南芥根部相关的细菌群落。
a, 在自然土壤生长的百脉根和拟南芥（实验A）土壤（n = 8）、根际（Gifu为n = 13，Col-0为n = 15）和根系相关细菌群落（Gifu为n = 13，Col-0为n = 15）的α多样性分析，使用香农指数进行评估。
b, 相同群落的Bray-Curtis不相似性的PCoA（n = 64）。
c,e, 百脉根（c）和拟南芥（e）天然根系群落中发现的OTU的等级丰度图。在相应的培养物收集中捕获的群落成员被描述为黑色，而非恢复的OTU被显示为白色。右边的纵轴显示所有恢复的OTU在自然群落中的累积相对丰度。
d,f, 在莲花或拟南芥IRLs（At-和Lj-IRL）中被捕获的，自然（自然群落，NatComs）中与百脉根（d）或拟南芥（f）根系相关的丰富OTU（≥0.1% RA）的百分比。
图2 百脉根和拟南芥核心培养物的全基因组系统发育。
最大似然系统发育，由31个保守的单拷贝基因（AMPHORA）的联合排列构建，显示了Lj-SPHERE（n = 294，蓝色轨道）和At-SPHERE（n = 194，红色轨道）核心培养物的分类重叠。外圈的箭头表示在重组实验中使用的五个混合群落所选择的菌株。
图3 重组实验再现了不依赖于培养的模式，并显示出共生群落对宿主的偏好特征。
a, 竞争实验的设置。
b-d, 土壤、根际和根系样本的Bray–Curtis 不相似性的约束性PCoA（CPCoA）（由所有生物因素约束，由所有技术变量制约）。
b, 百脉根(Lj)野生型Gifu, nfr5突变体和拟南芥(At)野生型Col-0植物与混合群落LjAt-SC2共同栽培（实验 B, n = 155, 方差解释53.8%, P = 0.001）。
c, Gifu, Col-0, A. lyrata MN47 (Al)和L. corniculatus与LjAt-SC3共同栽培（实验F，n = 173，方差解释为65.1%，P = 0.001）。
d, Gifu和Col-0的死根，及用LjAt-SC3培养的牙签（exp. J, n = 250, 方差解释43.9%, P = 0.001）。
e-g，用LjAt-SC2（n=66，e）或LjAt-SC3（n=72，f和n=89，g）接种的百脉根和拟南芥植物的活根（e,f）或死根（g）中的16个百脉根(Lj)衍生菌株和16个拟南芥(At)衍生菌株的聚合相对丰度(RA)。
图4 百脉根和拟南芥根部的合成群落SynCom特定转录输出。
a,b，在与宿主特异性SynComs（SC）共同接种后（Lj-和At-SC3，实验K），拟南芥（n = 12个生物独立样本，a）和百脉根（n = 12，b）根系全转录组水平主成分分析。在百脉根植物中，从Lj-SPHERE收集的根瘤分离物被添加到所有处理中，以防止转录输出被共生或氮饥饿反应所支配。
c,d, 热图显示拟南芥（c）和百脉根（d）根据k-means聚类结果排列的基因的比例计数（仅显示差异表达的基因）。
e, 与本地SynComs共同接种后上调的基因簇的表达模式的分布。
f，两个宿主之间在相同集群中确定的同源物的重叠，以及被确定为不同转录反应的潜在关键调节者的相关转录因子的列表。
图5 共生细菌的入侵和持久性。
a, 顺序接种实验的设置。 Lj Gifu和At Col-0植株与混合群落LjAt-SC3或单独的SynComs Lj-SC3和At-SC3共培养，然后接种对比的SynComs（实验 L）。
b,c, 土壤、根际和根系样本（b）的Bray-Curtis异质性的约束性PCoA（CPCoA）（由所有生物因素约束，由所有技术变量制约；n = 267；方差解释14.7%，P = 0.001），以及仅根系样本的PCoA（n = 137，c）。
d,e, 16个Lj衍生菌株和16个At衍生菌株在百脉根和拟南芥根系（d）（n = 120）和根际（e）（n = 120）样品中的聚合RA，在所述处理中。根据Kruscal-Wallis检验，方框内的不同字母表示不同的意义组，然后再进行Dunn's post hoc。
图6 宿主的偏好与入侵性有关。
a, 各个共生菌株在悉生实验中的宿主偏好分析（n = 366）。每个菌株用一个点表示，其颜色对应于其宿主偏好指数，其大小对应于其平均相对丰度。显著的宿主偏好（Mann-Whitney检验，假发现率校正）用一个点周围的黑圈表示。NS，不显著。
b,c, 自顺序接种实验（实验L）中，每个菌株在根系（n = 115）（b）和根际（n = 119）（c）中宿主偏好和入侵性指数之间的相关性。每个点的颜色指定每个菌株的来源，大小表示其平均相对丰度（经对数转换）。每个点都标有数字标识符，与a（LjAt-SC3）中的菌株相对应。At, A. thaliana; Lj, L. japonicus; Al, A. lyrata; Lc, L. corniculatus.
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