黑麦根际环境中细菌和真菌的分类学及功能多样性受到地方品种基因型的影响

《Applied Physiology Nutrition and Metabolism》：Taxonomic and functional diversity of bacteria and fungi in the rye root environment is affected by landrace genotype

黑麦土生品种与现代品种的根微生物组差异及环境适应性研究。通过16S rRNA和ITS2测序分析，发现生长地点和样本类型（根/根际/土壤）是影响微生物群落结构的主要因素，但土生品种的根内微生物群存在显著基因型特异性差异，表现为放线菌和毛霉菌属的丰度差异。功能预测显示，不同品种的微生物群在碳氮代谢和次生代谢产物转化方面存在显著差异，提示植物基因型通过调控根内环境选择性招募功能微生物。研究证实植物基因型对根微生物组组装的影响独立于环境因素，为农业微生物资源保护提供理论依据。

　　植物微生物组在植物的生长过程中扮演着至关重要的角色，其多样性不仅受到环境因素的影响，还与植物的遗传特性密切相关。本研究通过分析意大利西北部阿尔卑斯山区种植的三种地方性大麦品种（landraces）和两种现代品种的根系微生物组，揭示了植物基因型对微生物群落结构和功能的影响。研究结果表明，植物的生长地点和根系的微环境（如根际和根内）是影响微生物组组成的主要因素，而植物基因型则在某些特定的微生物群落中显示出显著的调控作用。这一发现为农业可持续发展提供了新的视角，强调了通过了解植物基因型与微生物组之间的相互作用，可以更有效地提升作物的环境适应能力。

### 植物微生物组的重要性

植物微生物组是指与植物共生的微生物群落，包括根部、茎部、叶部、花部和果实等多个部分。这些微生物在植物的生长过程中发挥着多方面的作用，例如促进营养吸收、调节植物激素的合成以及增强植物对生物和非生物胁迫的抵抗力。植物与微生物之间的这种相互作用被形象地称为“全生物体”（holobiont）或“元生物体”（meta-organism），意味着植物和其微生物群落共同构成了一个功能上相互依赖的生物系统。这种系统不仅影响植物的生长和发育，还可能在植物的进化过程中起到关键作用。

根部微生物组尤为重要，因为它是植物与土壤微生物相互作用的主要场所。根际土壤（rhizosphere）和根内（endosphere）是根部微生物组的两个主要组成部分，它们的微生物组成与植物的生长环境、遗传背景以及生理状态密切相关。根际土壤是指围绕植物根部的土壤区域，其中包含了大量微生物，而根内则是指植物根部内部的微生物群落。根部微生物组的多样性不仅影响植物的生长表现，还可能对土壤健康和生态系统功能产生深远影响。

### 研究背景与目的

本研究聚焦于大麦（*Secale cereale* L.）的地方性品种与现代品种之间的根部微生物组差异。地方性品种（landraces）通常是在特定地理区域长期适应和选择形成的传统作物品种，它们可能携带独特的遗传特征和适应性，使其在特定环境中表现出更强的生存能力和更高的生产力。相比之下，现代品种通常是通过育种技术改良而来的，具有更高的产量和更广泛的适应性，但可能在某些方面失去了与当地微生物群落的协同进化关系。

研究的目的是探讨植物基因型是否会影响其根部微生物组的组成，特别是在地方性品种和现代品种之间是否存在差异。此外，研究还试图揭示生长环境（如土壤类型、气候条件等）对微生物组的影响程度，并进一步分析这些微生物群落的功能特性，以评估它们对植物生长和适应性的潜在贡献。

### 实验材料与方法

本研究选择了三种地方性大麦品种（Exilles, Marmora, Ormea）和两种现代品种（Antoninskie, Su Nasri）进行分析。这些品种在意大利西北部阿尔卑斯山区的两个不同地点（Bruzolo 和 Entracque）种植，这两个地点在地理位置、土壤类型和气候条件上存在差异。实验设计采用随机区组设计，每个品种在每个地点种植三个重复，以确保结果的可重复性和统计显著性。

为了分析微生物组的组成，研究人员使用了宏条形码测序技术（metabarcoding），分别对细菌的16S rRNA基因和真菌的ITS2区域进行了测序。通过这种方式，可以快速而准确地鉴定微生物群落的组成，并评估其多样性。此外，研究人员还对不同微生物群落的功能进行了预测，以探讨它们在植物生长过程中的潜在作用。

在实验过程中，研究人员采集了根部样本和根际土壤样本，并对这些样本进行了DNA提取、PCR扩增和测序分析。所有样本均在实验后的24小时内进行处理，以减少微生物组变化的可能性。对于真菌样本，研究人员还进行了土壤筛分，以去除根部残留物，确保样本的纯净性。最终，研究人员获得了大量的测序数据，并对这些数据进行了质量控制、去噪处理和分类分析，以构建微生物群落的组成图谱。

### 研究结果

研究结果显示，生长地点和根部微环境对大麦微生物组的组成具有显著影响。具体来说，根际土壤和根内微生物群落的组成在不同生长地点之间存在明显差异，而根部和根际土壤的微生物群落则在不同样本类型之间表现出不同的分布模式。此外，研究还发现，植物基因型在某些情况下也会影响微生物组的组成，尤其是在根内微生物群落中。

通过非度量多维尺度分析（NMDS），研究人员能够直观地展示不同微生物群落之间的相似性和差异性。结果表明，根内微生物群落与根际土壤和土壤样本之间存在显著的分类差异，这说明根部微环境对微生物的富集具有重要作用。相比之下，根际土壤和土壤样本之间的差异较小，这可能是因为它们都受到根部分泌物的影响。

在进一步的分析中，研究人员发现，地方性品种与现代品种在根内微生物组的组成上存在显著差异。例如，Exilles 地方性品种的根内微生物群落表现出独特的分类特征，包括某些真菌属和细菌属的特异性富集。而现代品种 Su Nasri 的根内微生物群落则在某些特定的细菌属（如 *Bradyrhizobium*）上表现出更高的丰度。这些差异可能反映了地方性品种与现代品种在适应性上的不同，尤其是在与当地土壤微生物的相互作用方面。

此外，研究还对微生物群落的功能进行了预测分析。通过 Tax4FunR 工具，研究人员发现不同大麦品种的根内微生物群落在代谢功能上存在显著差异。例如，Exilles 地方性品种的根内微生物群落表现出对某些碳代谢途径（如单糖代谢和氨基酸糖代谢）的偏好，而现代品种则可能在其他代谢途径上具有优势。这些功能差异可能与植物根部分泌物的化学组成有关，进而影响微生物的富集和功能表达。

### 讨论

研究结果表明，植物的生长环境和根部微环境是影响微生物组组成的主要因素。然而，当研究人员专注于根内微生物群落时，发现植物基因型也起到了重要作用。这种效应在某些情况下甚至超过了生长地点的影响，说明植物的遗传背景在微生物组的形成过程中具有不可忽视的作用。

这一发现与之前在其他作物（如玉米、大麦和水稻）中的研究结果相一致，表明植物基因型对微生物组的调控作用可能是一个普遍现象。此外，研究还发现，地方性品种与现代品种在微生物组的组成和功能上存在显著差异，这可能与它们在不同环境中的长期适应性有关。例如，Exilles 和 Marmora 地方性品种虽然在遗传上属于不同的群体，但在微生物组的组成上却表现出相似性，这可能反映了它们在特定环境中的共同适应策略。

值得注意的是，尽管地方性品种与现代品种在微生物组的组成上存在差异，但这些差异并不总是与遗传距离相关。例如，ORM 地方性品种在某些情况下表现出与现代品种相似的微生物组特征，这可能与其在遗传上与现代品种具有一定的相似性有关。这种现象表明，植物基因型与微生物组之间的关系可能不仅仅取决于遗传距离，还可能受到其他因素（如环境适应性、栽培历史等）的影响。

此外，研究还发现，微生物组的功能差异可能与植物的生长表现有关。例如，某些微生物可能通过促进营养吸收或增强抗逆性来提高植物的生长能力。这些功能差异可能为农业实践提供新的思路，即通过调控微生物组来提高作物的环境适应能力。这不仅有助于提高作物产量，还可能减少对化学肥料和农药的依赖，从而推动可持续农业的发展。

### 结论

本研究揭示了植物基因型对根部微生物组的影响，尤其是在地方性品种与现代品种之间。研究结果表明，生长地点和根部微环境是影响微生物组组成的主要因素，而植物基因型则在某些特定的微生物群落中显示出显著的调控作用。此外，根内微生物群落的功能差异可能与植物的适应性有关，这为农业实践提供了新的视角。

未来的研究可以进一步探讨不同植物基因型与微生物组之间的相互作用机制，以及这些相互作用如何影响植物的生长表现和环境适应能力。通过深入理解植物与微生物之间的协同进化关系，可以为培育更具环境适应性的作物提供理论依据和实践指导。此外，研究还强调了保护和利用地方性品种的重要性，因为它们可能携带独特的微生物资源，有助于提高作物的可持续性和抗逆性。因此，在农业实践中，不仅要关注植物的遗传多样性，还应重视其与微生物组之间的相互作用，以实现更高效的农业生态系统管理。