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定殖于植物根周围根际、根表面和内部的微生物在生物和非生物胁迫下促进植物健康和适应方面发挥着重要作用。根微生物组的特定特征可以改变根结构、调节营养稳态、抵御压力和影响生态系统功能。尽管整体根系微生物组在很大程度上受土壤特性的影响，但宿主介导的微生物组组成变化对植物适应性有很大影响。
本期分享的文献为西南大学陈新平团队联合德国波恩大学于鹏团队在Nature Plants期刊发表的题为“Heritable microbiome variation is correlated with source environment in locally adapted maize varieties”的论文，揭示了非生物胁迫下植物-微生物有益互作的遗传基础和环境调控机制。这是继21年双方团队合作后，在此基础上又一合作研究成果。（【文献解读】Nature Plants 揭秘玉米根系发育与根际有益微生物相互作用机制）
该研究基于在低氮、低磷和干旱条件下生长的129个不同玉米品种的3168个根和根际微生物组样本，成功量化了非生物胁迫和宿主基因型对微生物组的影响，并鉴定了一个与细菌和环境都显著关联的基因。
整体根际微生物组主要受土壤特性的影响，但宿主介导的微生物组成的小幅变化可以对植物适应性产生重大影响。然而，宿主遗传机制在不同环境条件下调节微生物组的程度以及这种控制的机制基础仍然不清楚。了解植物性状如何调节其微生物组以提高对环境约束的耐受性，这种植物性状-微生物组关联在非生物胁迫下遗传的程度以及这种关联如何在遗传计划中编码，为建立有益的宿主-微生物组关联提供了新的见解，这些见解是培育适合环境的品种的先决条件，以期能增加农业生产力、抵御气候变化和实现可持续性。处理条件：129个不同玉米品种的盆栽试验：对照（CK）土壤、无氮低氮（LN）土壤、 无磷低磷（LP）和干旱(D)处理该研究对129个玉米品种开展了盆栽试验，同时分别施加低磷、低氮或干旱的非生物胁迫，采集根和根际样品用于微生物多样性分析。研究发现，不同样品的细菌和真菌的微生物群落组成不同，区室导致的差异最大，其次是不同处理，植物基因型对于菌群的影响低于区室或不同处理的影响。在各区室内，不同处理对根际和根内的细菌的影响显著大于真菌。在根和根际中，干旱胁迫和缺氮条件下的细菌α多样性显著降低。磷对根际细菌α多样性有显著影响，对根却没有。对于真菌α多样性，仅缺氮条件下的多样性显著低于对照组。同时发现只在根际细菌中能检测到不同处理与基因型之间的相互作用。这种检测到的处理和基因型之间的相互作用表明，可能存在特定的基因型，在根际细菌微生物群中起适应性作用。![]()
研究共鉴定出815个细菌asv和248个真菌asv，通过共现网络分析，在高度丰富的ASV中确定了假定的关键微生物。在胁迫处理中，在根际样品中鉴定出20个关键属，其中Sphingomonas、Massilia和Lysobacter在ASV水平上最具代表性的菌属，在根部样品中检测到5个属于Massilia的关键ASV，是对照和低氮处理中唯一保守的属，有19个关键ASV在对照和干旱胁迫处理中保守。功能预测表明，这些细菌属参与了尿素分解（Massilia）和有氧化学异养（Streptomyces）。真菌的关键类群主要被预测为分解者（37%）和病原体（25%）为了估计植物基因型对微生物组组成的总体影响，我们利用97种植物基因型，对根和根际的植物遗传距离矩阵和微生物组距离矩阵进行了相关性估计。两个区室细菌群落与植物基因型呈显著相关。在不同处理中，根际微生物组的平均H2较高于根微生物组，营养胁迫显著提高了细菌根际微生物组平均H2。为了确定影响微生物组的特定植物遗传位点，在整体多样性、科、属和个体ASV水平上对对大多数可遗传微生物（H2> 0.1）进行了全基因组关联研究（GWAS）。结果共检测到533个标记性状关联（MTAs）与细菌相关，283个与真菌相关，同时挖掘到与这些重要标记相关的567个基因，通过GO分析，主要富集到6个GO条目：“核输出”、“RNA运输”、“mRNA从核输出”、“嘌呤核糖核苷酸分解代谢过程”、“细胞器组织调节”和“嘌呤核糖核苷分解代谢过程”。总之，数据表明，宿主基因型对细菌群落的遗传影响在对照和胁迫处理下都是保守的。![]()
为了解决植物微生物群的变化反映了对自然环境适应的假设，作者在标准化生长实验中评估了环境的气候和土壤描述预测微生物群的潜力。利用WGCNA分析将微生物数据划分为14个不同模块，并确定了微生物模块与茎部表型性状间的相关性。特别是，鉴定出6个模块与茎部干物质量和氮含量呈正相关。“darked”模块的类群在Massilia中特异性富集，原始采样点土壤总氮量与之呈显著负相关，这种关联仅出现在对照实验的低氮处理中，从而反映了在自然生境中土壤氮有限时，Massilia可能存在潜在的选择性。利用结构方程模型（SEM）量化了源环境、植物遗传多样性、胁迫处理、驯化状态和生物量对“darkred”模块的累积效应。这些分析证明了植物基因型和源环境对微生物组特定组装的影响。低氮处理、源年平均温度、源降水和植物基因型与微生物组组合显著相关，与关键类群Massilia丰度显著相关。总之，细菌数据的预测优于真菌数据，并且根际大于根。![]()
图3-宿主-微生物相互作用和植物性状的基因组、环境和微生物预测为了评估微生物与植物生长和生理间的关系，作者使用两步策略结合基因组预测和基于环境的随机森林模型。比较了单独使用植物遗传标记和植物遗传标记与根际微生物组联合使用，发现植物遗传标记与根际菌群相结合具更高的预测能力。此外，作者探讨了源环境、遗传分化和特定微生物类群之间的关系。作为样本间相似性模式的度量，使用不同处理中观察到的微生物组ASV和两个源环境描述（海拔和地理距离）计算成对距离矩阵。采用Mantel检验来研究不同距离矩阵之间的相关性。细菌群落的处理间与处理-环境相似性模式的相关性高于真菌群落。根际细菌与源环境的相关性显著高于根部细菌与环境，但其中没有发现环境与根际或根真菌之间的显著差异。尽管已经确定了属于Oxalobacteraceae的特定分类群的显著预测因子，包括Massilia，但实际个体ASV的预测成功性较低。基于这些结果，作者假设在经过测试的材料的基因组上存在环境适应的痕迹，这种痕迹足以在不同的环境条件下调节植物和微生物的特性。![]()
图4-宿主-微生物相互作用和植物性状的基因组、环境和微生物预测在所有样本中，检测到4个高度丰富的细菌科：Streptomycetaceae、Oxalobacteraceae、Pseudonocardiaceae和Chitinophagaceae，以及3个高度丰富的真菌科：Aspergillaceae、Trichocomaceae和Nectriaceae。其中，在氮限制条件下，Oxalobacteraceae在各科中均具有最高的遗传力（H2）。有文献也认为Oxalobacteraceae在玉米缺氮土壤中对氮限制的耐受中起重要作用。![]()
图5-非生物胁迫下玉米根及根际微生物组中的主导及遗传性细菌为了研究适应性宿主对Oxalobacteraceae丰度影响的证据，作者使用现有的环境RF模型来预测来自墨西哥不同环境的1781个基因分型的传统玉米品种的Oxalobacteraceae ASV丰度，并用129个品种作为训练集。在Oxalobacteraceae的ASV中，预测效果最好的是属于Massilia属的ASV37。使用预测的ASV37丰度值对1781个品种进行了GWA分析，并将结果与训练集中的129个材料的GWA分析结果进行了比较，发现两个数据集之间的重叠情况比随机预测的要多。在缺氮条件下预测的ASV37根系丰度的最佳GWA位点（SNP S4_10445603）位于第4染色体上的Zm00001d048945基因内。在全部1781个样本中，SNP S4_10445603的次等位基因在ASV37预测丰度较高的情况下明显更丰富，这也与土壤氮含量较低相关，这表明Zm00001d048945基因的等位变异有助于通过增强与Massilia的关联来适应缺氮土壤。Zm00001d048945基因在根皮层中表达最为强烈，预测其编码一个含有TPX2结构域的蛋白质，该蛋白与WAVE-DAMPENED2微管结合蛋白相关，在拟南芥根系发育和侧根形成中起作用。利用训练集中可用的根系结构数据，作者发现侧根密度与ASV37丰度之间存在显著正相关，表明Massilia的募集可能与根部发育相关。![]()
图6-源生境促进微生物组驱动的根表型与氮有效性的关联为了确定对Massilia的影响，在高氮和低氮处理条件下种植野生型和突变型植株，使用与最初筛选时相同的土壤，并对根系微生物群落进行研究。总的来说，缺氮显著增加了根际微生物组的α多样性。同时，区室对微生物群落组成的影响大于处理，这与作者最初筛选的结果一致。有趣的是，仅在缺氮土壤中检测到Massilia、Muribaculaceae和Pseudomonas三者在野生型和突变型中相对丰度存在差异，虽然整体根系微生物多样性没有差异，但突变体招募的Massilia属显著少于野生型。在施肥充足的土壤中，野生型和突变型植物中Massilia的丰度没有差异。综上所述，这些结果可以用于支持“Zm00001d048945具有在缺氮土壤中调节侧根发育和Massilia丰度的作用”这一结论。作者先前的研究表明，根源黄酮类化合物，即芹菜素和木犀草素，是调节Massilia与玉米侧根发育有益关联的重要推动因素。对Zm00001d048945突变体中的芹菜素和木犀草素进行了定量分析，发现突变体相较于野生型显著积累了更多的黄烷酮和芹菜素。因此，作者确认了侧根发育与Massilia之间潜在联系取决于玉米根系分泌的黄酮类物质。为了表征Massilia对玉米根系和地上部生长影响的特异性，作者进行了一系列接种实验：Massilia Isolate13（与 ASV37 具有100%序列相似性）单独接种；不含Isolate13的masilia合成细菌群落（SynCom12）；包含SynCom12和Isolate13的13个成员的Massilia 合成细菌群落（SynCom13）。作者比较了在缺氮环境中野生型和Zm00001d048945转座子插入突变体的根系和地上部生长，发现Isolate13 单独接种可以显著促进 Zm00001d048945 突变体的侧根形成。然而，Massilia的有益效果对具有发达侧根的野生型植物的生长并非必要。这些数据以及之前的研究发现表明，侧根促进可能更多地依赖于 Massilia 的特定功能，在单个菌株水平上也是如此。此外，在缺氮条件下，对 Massilia Isolate13 进行单独接种可以显著增加 Zm00001d048945 突变体新形成叶片中叶绿素的含量和地上部氮浓度。重要的是，研究证实了 Massilia 介导的生长促进作用在两种不同的缺氮土壤中是一致的，尽管这种作用受到了土壤因素单独的影响，和/或与特定接种物相互作用的影响。重要的是，微生物中心类群 Massilia 单独就能促进玉米的侧根形成、生物量产生和氮耐受性，这表明在培育作物抗逆性时，根系性状与关键微生物类群的相互作用具有潜在价值。然而，对接种样本的进一步研究可能揭示菌株变异对 Massilia 植物生长促进潜力的影响。总的来说，作者通过对宿主根和根际微生物组关联的实验和分析，确定了玉米遗传变异通过特定基因调控来调节细菌微生物组，这促进了在缺氮缺乏条件下根系发育和植物氮吸收之间的协同作用 。这种因果关系反映了玉米基因组的环境适应足迹，赋予了未来气候约束下根际微生物组的选择性优势和特定功能。![]()
图7-Massilia单独可以调节在缺氮土壤条件下的侧根发育和生长性能
本研究对来自不同生境、不同胁迫条件下生长的129份玉米品种的3168份根和根际微生物样本进行了调查。研究结果表明，胁迫处理在很大程度上决定了微生物群落的组成，并且只在根际细菌群落中观察到了处理和基因型之间的强烈相互作用。此外，全基因组关联分析确定了与根际微生物组丰度和来源环境相关的宿主基因变异，研究确定了一个候选基因中的转座子插入，该基因与对照实验中关键细菌 Massilia 的丰度和源环境中的土壤总氮有关。单独分离和接种Massilia可以促进根发育、全株生物量生产和适应低氮供应。总之，适应当地环境的玉米品种对其根系和根际微生物群具有遗传控制作用，这种作用与它们所处环境的变化相一致，即它们对主要胁迫具有耐受性。
微生物全基因组关联分析（Microbial GWAS，mgwas）是一种用于研究微生物与宿主遗传变异之间关联的方法。它借鉴了人类全基因组关联研究（GWAS）的原理，但主要应用于微生物领域。mGWAS已广泛应用于植物、动物和人类宿主-菌群互作研究。识别宿主遗传变异：确定宿主的哪些遗传变异与其体内微生物群落组成、功能组成相关。理解微生物-宿主互作：探索宿主遗传变异如何影响微生物群落的定植和功能揭示微生物对表型的影响：分析微生物群落的变化如何通过宿主遗传背景影响宿主的表型特征。
样本收集：收集具有不同遗传背景的宿主个体样本，并获取其微生物群落和遗传信息。全基因组测序：对宿主样本进行重测序测序，进行变异检测分析,包括单核苷酸多态性（SNPs）、插入和缺失（InDels）等。
基因分型：使用基因芯片或其他方法对宿主样本进行基因分型。微生物组测序：对宿主样本中的微生物群落进行高通量测序，16s rRNA基因测序（物种层面关联）或宏基因组测序（可在物种和功能层面关联）。
物种组成和功能分析：通过生物信息学工具分析微生物群落的结构和功能。全基因组关联研究（GWAS）：将宿主的遗传变异与其微生物群落组成或功能进行关联。
多变量统计方法：使用多变量统计方法（如偏最小二乘回归分析）来分析宿主遗传变异、微生物群落和宿主表型之间的关系。独立样本验证：在独立的宿主群体中验证发现的关联。
功能实验：通过实验（如基因敲除或过表达实验）来验证特定遗传变异对微生物群落的影响
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图1-微生物mGWAS研究技术路线宿主由于基因型的差异直接影响了表型的变化，因此，GWAS 已经被广泛应用于动物和植物以及人体的研究中。而由于宿主基因型差异而改变的植物微生物组，同样影响着植物的健康，可以将微生物组的差异作为植物的“拓展表型”，并利用关联分析找到影响植物微生物组的基因，为分子育种等提供重要的理论基础和遗传资源。植物并非单独存在，而是与多样化的微生物共存，在环境、宿主植物与微生物以及微生物与微生物之间的相互作用下共同塑造植物相关的微生物群落。在不同的生态位展现了一个多样性的植物微生物组，主要包括根际微生物组、叶际微生物组以及内生微生物组。受宿主和环境双重影响，不同区系的微生物组在组成和功能上存在差异，是植物与土壤、大气交互作用的媒介。植物相关微生物组的巨大功能潜力已经得到证实，宿主因素对微生物组的影响也进行了大量的研究。在特定的土壤类型及环境下，植物微生物组差异主要由宿主调控。植物在募集微生物组、筛选有益微生物并且抵御有害菌以及调控微生物之间的互作等方面发挥重要作用。不同植物品种及基因型在对微生物的募集上表现出明显的差异。植物基因型影响了根系代谢物、免疫系统功能及根系分泌物的组成，进而影响了微生物组的活动与结构。在面对生物或者非生物胁迫时，植物会通过遗传因子整合胁迫信号并参与主动重塑植物微生物群，利用“呼救”（cry for help）策略招募有益菌。[1]
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图2-不同基因型植物在根际和叶际会召集不同的微生物，微生物之间通过互作形成复杂的网络结构[1]
在 mGWAS 的研究中，肠道微生物组常常被看作是一个类似于身高体重的复杂的性状。由于微生物组的总体组成和细菌丰度或细菌功能等多个指标均受到宿主基因组的调控，因此可以使用 mbQTLs 来识别影响特定微生物种类或通路的遗传位点。已有研究通过鉴定核心微生物进行研究，即在多次测序中丰度保持高度一致的细菌物种分类称为可测定的核心微生物。并将这些核心微生物丰度用于后续的 mGWAS分析。基于宏基因组测序MGWAS不仅能够识别到高分辨率的菌株水平的变化，还能识别患病个体中富集或降低的基于 KEGG、COG 和 EggNOG 等数据库注释的微生物的功能。MGWAS 应用于2型糖尿病、肥胖、结直肠癌以及类风湿性关节炎等人类疾病的研究，随着微生物领域的发展，MGWAS 在研究肠道微生物影响宿主复杂性状上将可以得到更广泛的应用。[2]
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图3.调控肠道菌群的宿主源代谢分子[3]
关于百迈客生物：
北京百迈客生物科技有限公司(简称：百迈客生物)成立于2009年，是一家提供基因多组学测序服务和单细胞组学&空间组学仪器设备的高新技术企业。业务主要包括科技服务、智能制造两大业务板块。全球化的业务布局，在中国、欧洲等地区拥有以博士和硕士为主体的研发及服务团队，先后在Cell、Nature、Science等国际期刊上发表文章数千篇，累计影响因子超万分。拥有Illumina、MGI、PacBio、Nanopore、AB SCIEX、Waters、BMK Manu、10X等二代测序、三代测序和质谱检测平台，自主创新的百灵实验室全自动生产线、BMKCloud多组学大数据智能交付平台及亚细胞级S系列空间组学产品，为全球科研单位、育种机构、医药公司等提供高品质基因多组学服务和产品。
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