Nature communications | 野生多年生植物基因型和年龄决定叶、根微生物群落

李较瘦 新岗记事  昨天

原文信息

DOI: 10.1038/ncomms12151

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研究背景

        细菌可以影响其寄主植物的抗病性、耐旱性、物候等过程。通过将微生物组作为一种复杂的植物性状来处理，人们可以应用定量遗传工具来探索与植物相关的细菌群落的多种变异来源。植物对细菌群落的遗传控制程度是作物育种家和进化生物学家感兴趣的问题，因为微生物组的遗传能力决定了它是否能根据宿主植物的选择而进化(作为宿主扩展表型的一部分)。实验室研究已经证实，种内遗传变异可以改变根和根际以及叶片的表面和内部的内生菌群落。

       实验室环境消除了驱动可塑性表型的复杂的自然外源刺激，因此基于实验室的研究可能高估了某些植物基因对自然环境中微生物组组成的影响。在农业生态系统和野生生境中，生物和非生物的影响可能压倒、放大或掩盖宿主基因的影响。这种影响常常在不同的地点和年份之间发生变化，从而导致可能形成微生物群落的功能性状的遗传变异的环境依赖性表达。

       另一个被研究的微生物组变异的潜在来源是寄主植物的年龄，它可以影响植物功能性状的表达(如植物的化学防御性状等)进而影响植物微生物组。已有的研究报告了在生长季节中植物叶片微生物群落的强烈变化。一些对多年生植物的长期研究报道了不同年份植物叶际微生物发生的变化，但未能通过植物年龄将叶片菌群的变化区分开来。研究者们需要更有针对性的设计实验，以了解在不同生长阶段下，微生物群落是如何在多年生植物中维持和变化的。

       本研究选择生活寿命较短的多年生芥菜进行大规模的田间试验，原因如下 (1) 该物种在自然界中长期近亲繁殖，其自花授粉产生的后代几乎是无性繁殖，因此基因型可以在多个环境中复制；(2) 该物种具有广泛的遗传多样性，来自不同种群的个体遗传分化程度高；(3) 许多该物种的种群在北美西部整个物种范围内数千年来几乎没有受到较为强烈的干扰，该物种及其相关的微生物进化时间已有数千年。

科学问题

(1)   细菌群落在多年生植物的生命周期中是如何变化的?

(2)   植物基因型和植物基因型与当地环境的相互作用对微生物组变异的影响有多大?

(3)   地上器官和地下器官对其固有细菌群落的遗传控制模式是否相似?

主要分析结果

(1)   植物叶片和根有其各自明显的微生物群落；

(2)   生境和年份对微生物群落有较大影响；

(3)   随着寄主植物的衰老，细菌群落也发生了变化；

(4)   寄主植物的基因型影响植物叶际微生物但不影响其根部微生物；

(5)   对微生物最强烈的遗传效应是位点特异性的；

(6)   叶和根的微生物群落共享许多细菌OTU。

结论和讨论

       本文的研究表明，几种不同的变异来源以复杂的方式相互作用，它们共同影响了微生物群落在多年生植物中的形成与维持。环境异质性可以使宿主基因型与其微生物群落分离，就像它改变了基因型与宿主表型的其他方面一样。不同生境的微生物群落对寄主植物的基因型、年龄和年复一年的变化表现出不同的响应方式。本文的研究阐明了在不同地点和时间点复制微生物组实验的重要性，以揭示基因型与环境的相互作用，这种相互作用可能比独立于环境的宿主遗传变异的效应更为深远。这种方法虽然费力且具有挑战性，但能够提高人们发现并控制影响微生物组变异的基因的能力。在自然栖息地或农业生态系统之间观察到的这种基因型、环境相互作用代表了潜在的大量环境因素的累积影响。因此，无论是在野外还是在便于简化假设测试的受控环境中进行操作实验，都将是必要的，以便进一步理清环境复杂性的不同方面，并了解它们是如何影响植物微生物组的组成和功能的。其他的工具如GWAS、RNAseq、宏基因组学和实验性移植等都将有助于这项研究。更好地了解宿主基因变异如何影响相关微生物群落，也将会促进未来将微生物群落生物学纳入进化生态学和农业科学。