Science Bulletin：上海植生所王二濤組發(fā)表基于絕對(duì)豐度的植物根際微生物群落“擴(kuò)增-選擇”組裝模型

發(fā)稿時(shí)間：1970-01-01來(lái)源：

 

2020年3月7日，Science Bulletin在線發(fā)表中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理與生態(tài)研究所王二濤課題組及其合作團(tuán)隊(duì)完成的題為 “An amplification-selection model for quantified rhizosphere microbiota assembly” 的研究論文，該研究基于微生物絕對(duì)豐度提出了植物根際微生物群落 “擴(kuò)增-選擇” 組裝的新模型。

根際微生物群落“擴(kuò)增-選擇”組裝新模型：左圖為基于微生物相對(duì)量的根際微生物群落“兩步選擇”組裝模型（two-step selection model），右圖為根際微生物群落“擴(kuò)增-選擇”組裝新模型（Amplification-selection model）。

 

基于絕對(duì)豐度的植物根際微生物群落“擴(kuò)增-選擇”組裝模型

An amplification-selection model for quantified rhizosphere microbiota assembly

Impact Factor：6.28(預(yù)計(jì)9.61)

DOI：https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.03.005

發(fā)表日期：2020-03-07

第一作者：Xiaolin Wang(王孝林)^1,2

通訊作者：Xuebin Zhang(張學(xué)斌)⁴(xuebinzhang@henu.edu.cn), Nan Yu(于楠)²(nyu@sibs.ac.cn), Ertao Wang(王二濤)^1* ( etwang@sibs.ac.cn)

合作作者：Mingxing Wang(王明星)^1,3, Xingguang Xie(謝星光)¹, Siyi Guo(郭思義)⁴, Yun Zhou(周云)⁴

主要單位：

¹中國(guó)科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心(Center for Excellence in Molecular Plant Sciences, Institute of Plant Physiology and Ecology, Shanghai Institutes for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences)

²上海師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院(College of Life Sciences, Shanghai Normal University)

³中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(University of Chinese Academy of Sciences,)

⁴河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院(Department of Biology, Henan University)

在自然界中，植物根系與大量的微生物互作，這些微生物定殖在根際土中，或附著于根系表面，或定殖于根內(nèi)，統(tǒng)稱為植物根際微生物組。植物根際微生物對(duì)于植物的生長(zhǎng)發(fā)育和環(huán)境適應(yīng)具有重要作用?；趥鹘y(tǒng)的微生物相對(duì)豐度（the relative abundance，通過(guò)高通量測(cè)序16S/18S rRNA基因獲得環(huán)境樣本中各微生物群落的相對(duì)組成）數(shù)據(jù)，研究人員提出了根際微生物群落的兩步或多步篩選組裝模型（two-step selection model 或者multi-step selection model），該模型認(rèn)為：微生物依次在根外土（bulk soil）、根際土 (rhizosphere soil) 和根內(nèi) (root) 逐步被篩選，形成植物根際特異的微生物群落（圖1g）。其中變形菌門（Proteobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）和放線菌門（Actinobacteria）是根際富集的主要菌群，而酸酐菌門（Acidobacteria）是根際排斥的主要菌群（圖1g）。

 

基于微生物相對(duì)豐度的研究描述了不同植物物種根際微生物的群落組成及多樣性，但忽略了單位質(zhì)量或體積中不同微生物群落的絕對(duì)豐度（the absolute abundance）。另外基于16S/18S rRNA基因的相對(duì)豐度研究忽視了不同細(xì)菌/真菌的16S/18S rRNA基因的拷貝數(shù)差異。因此，相對(duì)豐度的研究結(jié)果很難與定量的植物生理生態(tài)指標(biāo)進(jìn)行聯(lián)系，阻礙了我們對(duì)于根際微生物生態(tài)功能的理解。

為了克服常規(guī)16S rRNA基因高通量測(cè)序研究的局限性，我們采用了以下組合方法 （圖S1）：（1）我們先向根際樣本中添加了已知含量的人工合成的spike-in質(zhì)粒（spike-in質(zhì)粒包含隨機(jī)排列的堿基序列，隨機(jī)序列兩端是16S rRNA基因測(cè)序的正反向引物對(duì)應(yīng)序列，隨機(jī)序列長(zhǎng)度及堿基GC含量與16S rRNA基因測(cè)序片段一致），用來(lái)定量檢測(cè)單位質(zhì)量根際樣本中細(xì)菌16S rRNA基因的總量 （quantified 16S abundance）；（2）我們進(jìn)一步通過(guò)rrnDB數(shù)據(jù)庫(kù)獲取了每種細(xì)菌可操作分類單元（Operational Taxonomic Units,OTU）的16S rRNA基因平均拷貝數(shù)，然后通過(guò)加權(quán)平均獲得了每種細(xì)菌OTU的絕對(duì)細(xì)胞數(shù)目（quantified bacterial abundance）；（3）我們通過(guò)對(duì)單拷貝的rpoB基因測(cè)序，比較并評(píng)估基于16S rRNA基因定量測(cè)序計(jì)算出的絕對(duì)細(xì)菌數(shù)目的準(zhǔn)確性。采用該組合方法，我們定量了蒺藜苜蓿和水稻的根外土、根際土及根內(nèi)微生物群落的絕對(duì)豐度。

圖S1. 一種定量并評(píng)估根際微生物絕對(duì)豐度的組合方法

通過(guò)定量蒺藜苜蓿的根際微生物組，我們發(fā)現(xiàn)平均每克根外土、根際土和根系中細(xì)菌16S rRNA 基因的含量為1.1 × 10⁹，1.51 × 10¹⁰和3.28 × 10⁹，根際土中細(xì)菌16S rRNA 基因的含量是根外土的13.7倍。當(dāng)對(duì)16S rRNA 基因的拷貝數(shù)進(jìn)行加權(quán)后，我們發(fā)現(xiàn)平均每克根外土、根際土和根系中細(xì)菌數(shù)目為6.91 × 10⁸，6.44 × 10⁹和1.24 × 10⁹，根際土中細(xì)菌細(xì)胞數(shù)目的含量是根外土的9.3倍。表明相對(duì)于根外土，細(xì)菌的絕對(duì)豐度在根際土中是顯著升高的。

 

植物來(lái)源的根際養(yǎng)分被認(rèn)為可以促進(jìn)化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌在根際的生長(zhǎng)，我們推測(cè)根際土細(xì)菌絕對(duì)豐度的顯著升高可能歸因于部分快速生長(zhǎng)細(xì)菌的根際擴(kuò)增。我們進(jìn)一步分析了主要微生物菌門在根外土和根際中的豐度，發(fā)現(xiàn)與根外土相比，主要菌門在根際土中的絕對(duì)豐度都顯著擴(kuò)增，包括變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、酸桿菌門（Acidobacteria）、疣微菌門（Verrucomicrobia）、綠彎菌門（Chloroflexi）、厚壁菌門（Firmicutes）和 芽單胞菌門（Gemmatimonadete）等（圖1a, b），擴(kuò)增幅度從2倍到30倍不等，最低的是芽單胞菌門（2.44倍），最高的是α-變形菌門（29.86倍）。

 

圖1：絕對(duì)定量苜蓿根際微生物群落揭示植物根際微生物群落“擴(kuò)增-選擇”組裝模型

 

我們進(jìn)一步在OTU水平分析了細(xì)菌類群在根際的擴(kuò)增情況，發(fā)現(xiàn)基于相對(duì)豐度根際顯著排斥的OTU中，其中63.9%的OTU在根際土中實(shí)際情況顯著擴(kuò)增（圖1d-f）。另外，我們發(fā)現(xiàn)與根外土比，在根際土中絕對(duì)豐度降低的OTU的測(cè)序reads數(shù)都很低，表明這種變化很可能是測(cè)序深度不足導(dǎo)致的。因而，我們按絕對(duì)豐度的比例對(duì)根外土、根際土和根內(nèi)微生物分別進(jìn)行抽樣，然后計(jì)算三組樣本中細(xì)菌的α-多樣性。發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的α-多樣性在根際土中最高，其次是根外土，在根內(nèi)最低 （圖S5a）。但是如果按照傳統(tǒng)的基于相對(duì)豐度的研究方法，不考慮不同樣本中微生物的絕對(duì)豐度差異，根外土中細(xì)菌的α-多樣性最高，其次是根際土?；谝陨辖Y(jié)果，我們認(rèn)為對(duì)于大部分細(xì)菌類群來(lái)說(shuō)，其在根際土中都顯著擴(kuò)增（圖S5b）。

 

圖S5：忽視不同樣本細(xì)菌的絕對(duì)豐度可能導(dǎo)致α-多樣性的不準(zhǔn)確估計(jì)

 

對(duì)于植物根內(nèi)細(xì)菌群落，我們發(fā)現(xiàn)變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門的絕對(duì)豐度顯著高于根外土。根內(nèi)微生物主要來(lái)自于根際，我們進(jìn)一步分析了根內(nèi)微生物群落相對(duì)于根際微生物群落的比例，發(fā)現(xiàn)放線菌門、γ-變形菌門及Δ-變形菌門從根際土進(jìn)入根內(nèi)的比例最大，分別為63%、59%和59%。對(duì)于水稻根際細(xì)菌群落的分析得出了與苜蓿類似的結(jié)論。

 

基于這些研究結(jié)果，我們提出根際微生物群落組裝 “擴(kuò)增-選擇”的新模型，該模型認(rèn)為，與根外土相比，主要菌門在根際土中的絕對(duì)豐度都被顯著擴(kuò)增，經(jīng)根際土擴(kuò)增的微生物進(jìn)一步被根篩選，形成特異的根內(nèi)微生物群落。我們把根外土比作“鄉(xiāng)村”或者“沙漠”，把根際土比作“大都市”或者“綠洲”，相對(duì)于營(yíng)養(yǎng)較為貧乏的“鄉(xiāng)村”，“大都市”可以為微生物提供更多的工作機(jī)會(huì)，大部分微生物能在“大都市”找到崗位并繁衍擴(kuò)增。不同微生物擴(kuò)增倍數(shù)可能由微生物自身擴(kuò)增速率，微生物與微生物互作，植物與微生物互作等因素決定。根際微生物群落組裝的“擴(kuò)增-選擇”新模型，將指導(dǎo)我們定量追蹤植物不同生長(zhǎng)周期下其根際微生物的絕對(duì)豐度的變化，將根際微生物與植物定量性狀關(guān)聯(lián)起來(lái)，更好利用根際微生物提升農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

 

該工作是中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心/植物生理與生態(tài)研究所王二濤課題組與上海師范大學(xué)于楠課題組和河南大學(xué)張學(xué)斌課題組合作完成的，王孝林博士為第一作者。王二濤研究員，于楠副教授和張學(xué)斌教授為論文共同通訊作者。該研究受中國(guó)科學(xué)院和國(guó)家自然基金委的資助。

王二濤

王二濤，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，“國(guó)家杰出青年基金”獲得者。2003年于河南大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位；2008年于中國(guó)科學(xué)院研究生院獲博士學(xué)位；2008-2012年在英國(guó)John Innes Centre從事博士后研究；2013年至今，任中國(guó)科學(xué)院上海植物生理生態(tài)研究所研究員。主要從事豆科植物-根瘤共生固氮，植物-叢枝菌根真菌共生方面的研究。建立植物-叢枝菌根真菌共生營(yíng)養(yǎng)交換的新理論模型；克隆菌根因子受體復(fù)合，并闡述了菌根因子信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑等。研究成果以通訊作者發(fā)表在Science, Nature系列, Molecular Plant, The Plant Cell和Cell Research等國(guó)際主流學(xué)術(shù)期刊上，對(duì)植物-微生物共生領(lǐng)域有重要影響。

于楠

于楠，博士，副教授。2003于上海交通大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位；2010年于中國(guó)科學(xué)院研究生院獲博士學(xué)位；2010-2013年在英國(guó)John Innes Centre從事博士后研究；2015至今在上海師范大學(xué)擔(dān)任副教授。現(xiàn)主要從事植物根部干細(xì)胞層命運(yùn)決定分子機(jī)制及豆科植物根瘤發(fā)育分子機(jī)理的研究。近年主要研究成果以第一作者或通訊作者發(fā)表在Plant Cell, Nucleic Acids Research, Cell Research, Molecular Plant等國(guó)際知名期刊。

張學(xué)斌

張學(xué)斌，博士，教授，博士生導(dǎo)師。2005于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)獲學(xué)士學(xué)位；2008年于英國(guó)諾丁漢大學(xué)獲理學(xué)博士學(xué)位；2008-2011年在英國(guó)Rothamsted Research從事博士后工作；2011-2018就職于美國(guó)Brookhaven National Laboratory。現(xiàn)任河南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授。主要從事植物苯丙素類化合物合成途徑調(diào)控和F-box基因家族功能解析方面的研究。在Nature Communications, Plant Biotechnology, The Plant Cell，Plant Physiology，Molecular plant， Biochemical Journal，FEBS letter等國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊發(fā)表研究論文。

王孝林

王孝林，博士。2013年于江南大學(xué)生物工程學(xué)院獲學(xué)士學(xué)位；2018年于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院獲博士學(xué)位；2018年至今在中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心從事博士后工作。目前主要研究方向?yàn)槲⑸锷鷳B(tài)和植物微生物組。近年在Nature、The ISME Journal、Soil Biology and Biochemistry、Science Bulletin等雜志發(fā)表過(guò)論文。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095927320301341

Xiaolin Wang, Mingxing Wang, Xingguang Xie, Siyi Guo, Yun Zhou, Xuebin Zhang, Nan Yu & Ertao Wang. An amplification-selection model for quantified rhizosphere microbiota assembly. Science Bulletin. 2020. doi:https://doi.org/10.1016/j.scib.2020.03.005

官網(wǎng)：http://engine.scichina.com/publisher/scp/journal/SB

海外發(fā)行官方：https://www.journals.elsevier.com/science-bulletin

Science Bulletin是由中國(guó)科學(xué)院和國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)共同主辦、《中國(guó)科學(xué)》雜志社出版的自然科學(xué)綜合性學(xué)術(shù)刊物, 致力于快速報(bào)道自然科學(xué)各學(xué)科基礎(chǔ)理論和應(yīng)用研究的最新研究動(dòng)態(tài)、消息、進(jìn)展, 點(diǎn)評(píng)研究動(dòng)態(tài)和學(xué)科發(fā)展趨勢(shì)。要求文章短小精悍, 可讀性強(qiáng), 能在比較寬泛的學(xué)術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生影響。

2018年影響因子：6.277

預(yù)計(jì)2019年影響因子 > 9.61

歷史：Science Bulletin原名CHINESE SCIENCE BULLETIN，歷史悠久，自1997即獲得首個(gè)影響因子0.3至2016年止影響因子1.649，年發(fā)稿量在600篇左右。

當(dāng)今：2015年雜志起更名為Science Bulletin，對(duì)稿件質(zhì)量有了更高的要求，年發(fā)文量下降至200篇以內(nèi)，2016年獲得首個(gè)影響因子4.902，至2018年跨越式發(fā)展，影響因子達(dá)6.277。在中國(guó)科技期刊國(guó)際影響力提升計(jì)劃、中國(guó)科研全面發(fā)展和更嚴(yán)格的文章質(zhì)量控制的背景下，該雜志今年預(yù)計(jì)影響因子可達(dá)9.61，甚至突破10，值得同行關(guān)注。

該技術(shù)是一種將qPCR絕對(duì)定量技術(shù)和常規(guī)16S擴(kuò)增子測(cè)序技術(shù)合二為一的技術(shù)，該技術(shù)不但可以進(jìn)行Alpha多樣性分析、群落組成分析、Beta多樣性分析、指標(biāo)和微生物相關(guān)性分析等常規(guī)16S擴(kuò)增子測(cè)序分析，關(guān)鍵可以解析樣本中總細(xì)菌的絕對(duì)拷貝數(shù)，還可以解析樣本中每個(gè)物種的絕對(duì)拷貝數(shù)，因而對(duì)微生態(tài)學(xué)內(nèi)許多懸而未決的問(wèn)題具有進(jìn)一步闡明的潛力。此外，該技術(shù)進(jìn)行細(xì)菌拷貝數(shù)定量時(shí)，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)曲線的內(nèi)標(biāo)和樣本DNA是在同一個(gè)樣本孔中一起進(jìn)行PCR反應(yīng)，所以PCR反應(yīng)效率相同，因此校正了腐殖酸對(duì)PCR的影響，避免了腐殖酸等PCR抑制物對(duì)樣品細(xì)菌16S拷貝數(shù)定量的影響，因此針對(duì)土壤、水體和淤泥等環(huán)境樣本，天昊生物16S擴(kuò)增子絕對(duì)定量測(cè)序技術(shù)計(jì)算得到的細(xì)菌16S拷貝數(shù)相對(duì)于qPCR更準(zhǔn)確。目前天昊微生物16S擴(kuò)增子絕對(duì)定量測(cè)序技術(shù)平臺(tái)已經(jīng)完成項(xiàng)目百余個(gè)，合作單位包括中國(guó)科學(xué)院微生物研究所、中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所、中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所、同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院、廈門大學(xué)環(huán)境與生態(tài)學(xué)院、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、東北農(nóng)業(yè)大學(xué)、重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院、鹽城工學(xué)院、南京財(cái)經(jīng)大學(xué)、南京中醫(yī)藥大學(xué)、武漢大學(xué)中南醫(yī)院、新疆醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院、山東大學(xué)齊魯醫(yī)院等多個(gè)單位，覆蓋環(huán)境土壤微生物，環(huán)境水體微生物和醫(yī)學(xué)腸道微生物等多個(gè)領(lǐng)域，利用該技術(shù)的項(xiàng)目文章成功陸續(xù)發(fā)表在環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)TOP期刊《Science of the Total Environment》（IF= 5.589）和應(yīng)用化學(xué)1區(qū)期刊《Carbohydrate Polymers》（IF=6.044）上，目前該技術(shù)因其創(chuàng)新性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性受到客戶的廣泛好評(píng)，熱烈歡迎各位老師與我們交流溝通！

想了解更多

“天昊微生物16S擴(kuò)增子絕對(duì)定量測(cè)序技術(shù)”

請(qǐng)點(diǎn)擊鏈接：

1· 喜訊！天昊生物16S擴(kuò)增子絕對(duì)定量測(cè)序項(xiàng)目文章再次登陸《Science of the Total Environment》

2· 又一篇！天昊生物微生物16S擴(kuò)增子絕對(duì)定量測(cè)序技術(shù)再發(fā)好文

3· 祝賀！天昊生物16S擴(kuò)增子絕對(duì)定量測(cè)序技術(shù)助力客戶登陸Science of the Total Environment

4· Nature：要想真正研究宿主-腸道微生物的相互作用，必須將相對(duì)定量變成絕對(duì)定量

5·The ISME Journal：為什么微生物相對(duì)定量不能代替絕對(duì)定量

6· 專屬含PCR抑制劑的環(huán)境樣本微生物拷貝數(shù)定量的最佳解決方案!