利用多尺度和多系统微生物组比较鉴定影响高粱干旱反应的有益和有害细菌


发布时间:

2022-06-01

来源:

本站

作者:

PhenoTrait

  干旱是限制农业生产力的主要非生物胁迫。先前的田间试验表明,干旱会降低根际和根际微生物群落的多样性。这些变化最终如何影响植物健康仍然是个谜。为此,我们将还原论、过渡论和生态学方法相结合,应用于主要谷物作物高粱,以确定对干旱胁迫下的植物表型产生强烈影响的关键根系相关微生物。将53株拟南芥相关细菌应用于高粱种子,并监测其对根系生长的影响,如图1。两株节杆菌(Arthrobacter)在拟南芥和高粱中引起根系生长抑制(root growth inhibition, RGI)。在人工群落中,贪噬菌(Variovorax)菌株能够保护植物免受关节杆菌引起的RGI。作为一个过渡系统,高通量表型法被用于测试合成群落,如图2。干旱胁迫期间,节杆菌定殖的植物生长和叶片含水量降低。由节杆菌和贪噬菌定植的植物表现与对照植物一样好或更好。同时,我们进行了一项田间试验,在干旱条件下对高粱进行了评估。高通量表型分析后高粱根系相关微生物群的特征,如图3。通过将土壤特性数据纳入微生物组分析,我们用一种新方法解释了实验噪声,并能够观察节杆菌丰度与植物生长之间的负相关,如图4。在验证了这种方法后,我们交叉引用了高通量表型分析和田间试验的数据集,为了可视化样本类型之间的一般相关性,我们考虑了无监督的统一流形逼近与投影分析(Uniform Manifold Approximation and Projection, UMAP)如图5,并报告了一份与干旱胁迫下植物生长正相关的高置信度细菌列表。总之,一个三级实验系统成功地跨越了实验室到田间的鸿沟,并确定了干旱条件下高粱的有益和有害细菌菌株。

 

 

  图1 在一项快速幼苗试验中,合成群落(SynComs)和单个细菌菌株影响高粱根系长度表型。绿点代表高粱幼苗的根长。(a)方框图显示中间点(水平线)、第75百分位和第25百分位(方框顶部和底部)以及上下触须分别延伸到距离方框上边缘和下边缘不超过1.5×四分位间距的数据。(b)分别测试每个菌株(1-53)对高粱幼苗根系生长的影响。附加应变详情(补充表1)。灰点代表对照(无细菌处理)幼苗。实心黑点和黑线代表平均值±标准偏差。下表中总结了每种菌株的具体特征。黑色阴影表示该菌株具有该特征。RGI:根系生长抑制。红色轮廓表示在拟南芥和高粱中引起RGI的节杆菌菌株(47和51)。每个处理的重复样本数a:n>20,b:n≥ 11.在SynCom处理和对照样品(无微生物处理的高粱)(a和b)之间进行Wilcoxon秩和检验,并使用Benjamini–Hochberg方法校正p值,以控制错误发现率*p<0.05。

 

  图2 在高通量表型分析中,SynComs影响植物生长表型。利用黄土平滑法绘制了植株大小(a)和近红外信号(b)的时间变化图,线颜色显示了微生物处理。(c)绿点代表试验结束时高粱的新梢鲜重。方框图显示中间点(水平线)。第75和第25个百分位(方框顶部和底部)以及上下两个触须分别延伸到距离方框上边缘和下边缘不超过1.5×四分位间距的数据。在水分充足和干旱条件下进行微生物处理之间的配对t检验。显示了选择性比较的p值,所有其他值均不显著(α=0.05)。每个处理的重复样本数n=50(a和b)或n≥ 10(c)。

 

  图3 高通量表型分析后高粱根系相关微生物群的特征。a.使用无监督的UMAP对微生物组样本进行聚类,颜色和形状分别显示干旱和微生物处理。b.各处理中微生物群落的门级分布。c.干旱条件下测定结束时,Variovorax和Arthrobacter OTUs的分类操作单元(operational taxonomic units, OTU)丰度。这些点代表不同样本中OTU的丰度,颜色显示微生物处理。框中的水平条表示中间带。盒子的顶部和底部分别代表第75和第25个百分位。上部和下部晶须分别延伸至距离盒子上边缘和下边缘不超过1.5×四分位数范围的数据。在SynCom治疗之间进行配对t检验。所示为选择性比较的p值,在α为0.05时,所有其他值均不显著。复制样本数n≥ 8.d与两种植物表型相关的OTU数量。颜色代表具有相同关联方向的OTU组。干旱处理中植物表型相关微生物群的e门水平分布。f、 g OTU194097节杆菌菌株OTU丰度和植株表型(f植株大小;g茎鲜重)之间的变化点模型拟合。灰点表示不符合丰度阈值的样本。

 

  图4 田间试验表明,干旱处理对高粱的生长表型有负面影响。绿点代表了经过土壤性质效应调整后高粱植物样本的生长表型。框中的水平条表示中间带。盒子的顶部和底部分别代表第75和第25个百分位。上部和下部晶须分别延伸至距离盒子上边缘和下边缘不超过1.5×四分位数范围的数据。在干旱处理之间进行T检验,显示p值。

 

  图5 高粱微生物群与干旱处理的田间试验。a.使用无监督的UMAP对微生物组样本进行聚类,颜色显示组织分区;b.干旱处理和组织隔室中高粱微生物群的门级分布。c与两种植物表型相关的OTU数量。颜色代表同一组织隔室内的OTU组。插入框表示显示正(+)或负的OTU(−) 两个样本的相关性。d.干旱条件下组织隔室中与植物表型相关的微生物群的门级分布。e、 f OTU37122节杆菌菌株OTU丰度与植株表型(e植株干重;f植株高度)之间的变化点模型拟合。灰点表示不符合丰度阈值的样本。

 

  来源:Qi, M., Berry, J.C., Veley, K.W. et al. Identification of beneficial and detrimental bacteria impacting sorghum responses to drought using multi-scale and multi-system microbiome comparisons. ISME J (2022). https://doi.org/10.1038/s41396-022-01245-4

  

  编辑:王春颖

推荐新闻

石时之约|韩志国:透过表型数据,看见植物的喜怒哀乐!

本期石时之约,我们将对话慧诺瑞德(北京)科技有限公司总经理、国际植物表型学会(IPPN)执委会委员/工业分会副主席韩志国,一起从表型数据的科学角度,去读懂农作物的喜怒哀乐和前世今生。

慧科研、慧育种、慧种田——慧聚改变的力量

让我们“慧聚”在一起,为“慧科研、慧育种、慧种田”赋能。

高通量植物表型平台建设注意事项

育种,是在给定的环境条件下,选择各种表型指标(产量、品质、抗性)最优的基因型材料的过程(AI育种,从这里起步)。育种工作中大约70%的工作量来自表型观察测量和筛选,是最耗人力物力的过程。

作物生理表型测量基础原理

生理表型测量的核心在于“早、快”,要在肉眼可见之前就能测量并预判出变化趋势,才是这个技术的核心价值。叶绿素荧光成像,恰好满足了这个要求。