BioRXiv：田间水稻整个生命周期中根系微生物组的变化情况
导读：本文是由加州理工大学戴维斯分校的Venkatesan Sundaresan教授团队2017年7月在CSH BioRXiv平台上预发表的文稿，经过近四年的田间试验和数据分析，描述了水稻整个生命周期中根系微生物组在根际、根系等不同生态位群落结构组成和变化规律，并基于此数据建立了通过微生物组预测植物年龄的模型，得出微生物组的演替和水稻生长发育阶段密切相关的结论。
田间水稻整个生命周期中根系微生物组的变化情况
原题目：Compositional shifts in the root microbiota track the life-cycle of field-grown rice plants
作者：Joseph Edwards, Christian Santos-Medellin, Zachary Liechty, Bao Nguyen, Eugene Lurie, Shane Eason, Gregory Phillips, Venkatesan Sundaresan
doi: https://doi.org/10.1101/166025
Posted July 19, 2017.
摘要
根系细菌群落影响宿主植物的健康和营养。虽已知大量影响根系微生物群体组成的因素，但我们对此类微生物在植物整个生命周期中的动态变化还知之甚少。
本研究采用了密集间断取样（dense temporal sampling）的方法，描述两个不同采样地、三个生长季节中田间生长的水稻根系微生物菌群。
结果发现，根系微生物群体在植物生长的营养阶段高度变化，并在随后的生长周期中保持稳定。
通过随机森林建模的方法，根据不同采样点的细菌类群预测水稻植株年龄。使用这种年龄预测模型可以发现，相较于未受胁迫的植株，干旱胁迫下的植株微生物组生长发育有一定的延迟。
通过使用具有不同发育速率的不同水稻基因型材料，我们发现微生物组的转变与发育期相关，比如营养阶段和生殖阶段微生物组有不同的组成，并非只与植株的年龄相关。
这些结果揭示了根系相关微生物组在植物整个生长周期中的动态演替模型。
研究背景
1. 肠道微生物组Time-course相关：
新生儿出生后肠道微生物组多样性极低，在随后的3年内，菌群变化很快；在三年后菌群结构则逐渐形成稳定的状态，和日常饮食摄入相关。
2.植物根系微生物组的动态变化：
Dombrowski等发现，高山南芥的早期开花突变体和野生型相比，根系微生物组成无明显差异，故认为菌群成分主要和在土壤中生长时间有关，与植物生长发育阶段无关。但是相对于水稻研究而言，该实验的材料为多年生草本植物，生长环境为温室条件，且采样时间相对较短。所以，作者认为有必要跟踪水稻整个生长周期，探究水稻根系微生物组会呈现哪种变化规律。
（参考：Root microbiota dynamics of perennial Arabis alpina are dependent on soil residence time but independent of flowering time. The ISME Journal. 11, 43–55, 2017.)
实验设计
本文要回答的科学问题主要有两个：
- 其一是探究田间环境下水稻整个生长周期内微生物组的变化情况；
- 其二是探究微生物组的变化到底是和水稻年龄相关，还是和水稻生长发育阶段相关。
根据以上两个科学问题，作者分别设计了两套田间试验方案
Question1. 以时间作为基础变量，于2014、2015、2016年相继在美国California和Arkansas州种植田间水稻，具体地理位置、采样时间和品种等信息见以下图表：
Question2. 根据水植株本身的穗分化和开花时间选取不同基因型的水稻，在California州种植不同品系。具体品种和试验田分布如下：
主要结果
1. 不同地点和季节中根系相关微生物群体的动态变化规律是一致的
- 具体包括不同生态位、不同地域中，菌群整体的群落结构、以及特定细菌的变化趋势。见图1A-C、图2。
图1：种子发芽后8-9周根系微生物菌群结构特征。
- 不同生态位中，42种细菌从根外土（Bulk soil）到根内生部位（Endosphere）变化明显，其中，有22个相对丰度增加的门，20个相对丰度减少的门。见图2。
图2：在生长周期内微生物组中细菌门类的变化趋势
2. 发芽后8-9周，微生物菌群趋向稳定
- 7-8周后菌群达到稳定状态。8-9周左右水稻进入生殖生长阶段。该结果与肠道微生物组的规律相似。见图1D。
图1D
3. 建立了一套水稻微生物组是否正常演替的标准，通过微生物组预测植物年龄
- 通过机器学习，基于已有植物年龄和相应微生物组OTU的数据进行训练，达到可根据微生物组成预测植物年龄（见图3）
图3. 随机森林模型基于菌群准确预测植物年龄
- 使用上述预测模型发现，干旱胁迫下的植株生长发育迟缓，会影响微生物的演替（见图4）
图4. 干旱胁迫下，内生菌群结构变化受到延迟
（这部分实验的目的是为了检测本文“根据微生物组的组成预测植物年龄”这一模型是否可用。）
4.植物发育晚期，不同生态位/不同地点定殖的微生物群体的差异显著减小
- 植株8-9周龄后，根际和根内生微生物组区分不明显（见图5A）
- 植物生长发育早期，不同采样地点的微生物组OTU地理特异性较大，在生长季后期的时间点，这种差异显著减小（见图5B）
图5. 植物发育晚期，不同生态位不同地点定殖的菌群差异显著减小
5. 根系微生物组的演替和水稻生长发育进程相关
- 穗分化、开花时间不同的不同品种水稻，其根系相关微生物菌群在营养生长和生殖生长阶段，呈现“倾斜”的差异趋势，表明微生物组的演替和水稻的生长阶段密切相关。
图6.不同品系水稻在不同生长时期和生态位的群落变化趋势
结论
作者提出一年生植物生命周期内微生物组发展过程的“两步模型”
（一）在种子发芽后，第一批微生物定殖于根系内外。
由于这些早期定殖微生物具有地理特异性，和周围土壤中的微生物群体相关，宿主在这一过程中起多大程度的作用尚不明确
（二）进入生殖阶段后，一批晚期定殖微生物在一定程度上取代早期定殖的菌群，并在植物后期生长周期内稳定维持。
这种转变的速度取决于不同基因型的植株，并且在不同的采样地点，晚期定殖菌群类似，这可能受宿主影响较大。