项目文章 | 重大发现：入侵植物可选择性富集土壤微生物

基本信息

英文标题：Enrichment of soil rare bacteria in root by an invasive plant Ageratina adenophora

中文标题：入侵植物紫茎泽兰根系对土壤中稀有细菌的富集作用

发表期刊：Science of the Total Environment

发表时间：2019.06

影响因子：5.589

作者单位：云南大学生物资源保护与利用国家重点实验室

生物技术：细菌16S rRNA高通量测序（欧易生物提供）

研究背景

紫茎泽兰作为世界性入侵杂草，对入侵地区造成严重的经济损失和生态环境破坏。入侵植物与入侵地土壤中微生物之间存在密切的互作关系。微生物可从根系分泌物中获取植物的光合产物，同时为植物提供所需要的植物激素和营养物质等产物。随着植物根系周围土壤环境（碳浓度、植物化学物质等）的变化，微生物会在植物根系表面积累，进而在植物根内富集形成根系微生物。多种植物研究表明，微生物的选择性富集会造成植物根系和根际土壤中的微生物群落结构发生改变（拟南芥、胡杨、玉米和水稻），进而影响入侵植物与本地植物的竞争关系。

研究内容

本研究采用16S rRNA高通量测序技术，比较不同地区入侵植物紫茎泽兰的根系和根际土壤细菌群落结构。证实了紫茎泽兰可以选择性富集梭状芽胞杆菌和肠杆菌，导致植物根系细菌在不同分类水平上的结构组成发生变化，还深入讨论了富集菌株对入侵植物和本地植物生长的影响，揭示根系细菌富集效应对植物入侵的影响。

技术路线

图1 | 技术路线图

研究结果

1. 细菌16s rRNA高通量测序结果展示

共对18个根系样本和9个根际土壤样本进行测序，各样本valid tags数为22,583 ~ 38,430，占比为77.70% ~ 93.70%，共计893,743个valid tags。根际土壤的稀释曲线显示在12000 reads左右达到饱和，根际土壤的物种数高于根系（图2a）。此外，根际土壤的alpha多样性指数显著高于根系，但根际土壤和根系的组内样本无显著性差异（图2b）。

图2 稀释曲线（a）和alpha多样性指数（b）

2. 紫茎泽兰根系对土壤微生物的富集作用

比较不同分组样本（根系与根际土壤）的测序结果，表明根系细菌与根际土壤细菌差异显著（图 3）。进一步分析不同分类水平下根系和根际土壤的细菌群落结构差异。结果表明，在门水平上，厚壁菌门（Firmicutes）在根系（45.68%）和根际土壤（29.78%）中均有分布，且根系中的变形菌门（Proteobacteria）含量（46.59%）显著高于根际土壤（24.76%），拟杆菌门（Bacteroidetes）在根际土壤中含量较高（39.06%）（图 4a）。在纲水平上，梭状芽孢杆菌纲（Clostridia）在根系（44.98%）与根际土壤（27.47%）中均存在，拟杆菌纲（Bacteroidia）在根际土壤中含量较高（35.56%），丙型变形菌纲（Gammaproteobacteria）在根系中含量较高（27.51%）（图 4b）。在属水平上，梭状杆菌属（Clostridium）和肠杆菌属（Enterobacter）在根系中的含量显著高于根际土壤（图 4c）。

在OTUs水平上，1292个OTUs同时存在根际土壤和根系中，1592个OTUs只根际土壤中存在，327个OTUs只在根系中存在（图 5a）。比较了两组的共有TOP30 OTUs，发现OTU11（Burkholderiales）和OTU289（Oxalobacteraceae）在根际土壤中含量显著高于根系，而OTU1（Clostridium）和OTU6（Enterobacter）在根系中含量较高（图 5b, c）。因此，根系中的微生物可能是从根际土壤中富集的。

图3 NMDS分析不同入侵范围和来源的细菌群落多样性差异

图4 不同分类水平下的根系和根际土壤中微生物群落结构分布

图5 OTUs在根系和根际土壤中的差异分布

3. 植物促生长实验

选择常见的根系菌株OTU6和OTU30（肠杆菌科）进行植物促生长实验。结果表明，OTU6对紫茎泽兰的生长具有促进作用，对本地植物生长具有抑制作用，而OTU30具有相反的作用（图 6）。

图6 肠杆菌对紫茎泽兰生长的促进作用

研究总结

本研究表明，入侵植物紫茎泽兰根系可从根际土壤中选择性富集梭状芽胞杆菌（Clostridium）和肠杆菌（Enterobacter），改变植物根系和根际土壤微生物的群落结构。其中肠杆菌OTU6可促进入侵植物生长，抑制本地植物生长。

文章亮点

本研究首次报道了入侵植物根系可以选择性地富集根际土壤微生物。深入分析了微生物在入侵植物和本地植物的生长中不同的作用，该研究可为入侵生物学领域提供重要研究思路。

土壤微生物取样方法

参考欧易生物公众号:

https://mp.weixin.qq.com/s/w4TXHyMpfFw9m0LFjAf9YA

参考文献

Chen L, Fang K, Zhou J, et al. Enrichment of soil rare bacteria in root by an invasive plant Ageratina adenophora. Science of the Total Environment. 2019, 683:202-209.（DOI: 10.1016/j.scitotenv.2019.05.220）

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