种子内生微生物 “塑造” 麦芽品质：产地与基因型的双重影响

为解决麦芽大麦种子微生物群落结构及对麦芽品质影响不明的问题，研究人员开展了麦芽大麦种子内生微生物群落特征及与麦芽品质相关性的研究。结果表明，基因型、产地及其互作影响种子内生微生物群落，且部分微生物与麦芽品质性状相关。这为大麦生产和制麦中微生物组的调控提供依据。

　　在农业生产的大舞台上，微生物如同隐藏的 “幕后英雄”，对农作物的生长发育和品质形成起着至关重要的作用。就拿麦芽大麦来说，它不仅是酿造啤酒的关键原料，其种子内生微生物更是在发芽、生长以及应对各种生物和非生物胁迫的过程中发挥着不可或缺的功能。然而，目前仍存在诸多谜题等待解开。比如，究竟是哪些因素在塑造微生物群落结构和组装过程中起关键作用？植物种子与微生物组之间的相互作用又是如何具体影响麦芽品质的？这些问题像层层迷雾，笼罩着麦芽大麦的生产研究领域，严重阻碍了人们充分利用微生物来提升大麦产量和麦芽质量。为了驱散这些迷雾，美国农业部农业研究服务局（USDA-ARS）谷物作物研究单位的研究人员 Oyeyemi Ajayi 和 Ramamurthy Mahalingam 挺身而出，开展了一项意义重大的研究。他们深入探究麦芽大麦种子内生微生物群落的奥秘，以及这些微生物与麦芽品质性状之间千丝万缕的联系。该研究成果发表在《BMC Plant Biology》杂志上，为相关领域的发展带来了新的曙光。

研究人员运用了多种关键技术方法。在样本处理方面，选用了 Conlon、AAC Synergy 和 ND Genesis 三种麦芽大麦品种，在明尼苏达州（圣保罗和克鲁克斯顿）和北达科他州（卡林顿和卡斯尔顿）的田间种植，收获后进行表面灭菌处理。之后，采用下一代测序技术，即 16S rRNA 和 ITS 基因测序，对细菌和真菌群落进行表征。同时，利用多种生物信息学分析和统计方法，如在 Qiime2 环境中进行序列处理和分类，在 R 软件中进行多样性指数计算、差异分析和相关性分析等 ，来深入挖掘数据背后的信息。

研究结果如下：

• 测序数据及多样性分析：通过 16S 测序和真菌 ITS 测序，分别获得大量高质量序列，经处理得到细菌和真菌的 ASVs（扩增子序列变体）。基于这些数据进行的 α 多样性分析表明，不同基因型 - 产地组合的样本，其细菌和真菌的多样性存在显著差异。例如，Conlon - 圣保罗的细菌多样性在某些指标上最高，而 ND Genesis - 圣保罗的则较低；在真菌方面，ND Genesis - 卡斯尔顿的观察物种数最多，而 ND Genesis - 圣保罗的各项真菌 α 多样性指标值都较低。β 多样性分析显示，在细菌群落中，克鲁克斯顿的样本与其他产地的样本在聚类上明显不同；在真菌群落中，不同基因型的样本聚类存在差异，且基因型、产地及其相互作用对细菌和真菌的 α、β 多样性及群落组装均有显著影响123。
• 微生物群落与麦芽品质的关联：研究发现，细菌的 α 多样性指数（Faith's PD 和 Shannon 指数）与麦芽品质性状，如大麦蛋白（BP）、游离氨基酸氮（FAN）、糖化力（DP）和 α - 淀粉酶（AA），呈显著负相关。真菌的 α 多样性（Shannon 和 Simpson 指数）与 β - D - 葡聚糖含量显著负相关。此外，一些细菌和真菌属与麦芽提取物（ME）等麦芽品质性状存在显著关联。例如，细菌属 Brevibacillus 与 BP 呈正相关，Paenibacillus 与 ME 呈正相关；真菌属 Blumeria 与 BP、WP、β - D - 葡聚糖和 FAN 呈负相关，与 AA 和 DP 呈正相关456。
• 核心微生物组及 ASVs 分析：研究人员定义了核心微生物组，发现细菌核心微生物组包括 Bacillus 和 Xanthomonas，真菌核心微生物组主要是 Blumeria。进一步分析发现，细菌 ASVs 在不同基因型和产地间的共享比例较高，而真菌 ASVs 则更多地表现为独特性。例如，在细菌中，14% 的 ASVs 存在于所有三种大麦基因型中，6.8% 的 ASVs 在所有四个产地都有；在真菌中，只有 3% 的核心 ASVs 存在于所有三种基因型中，2.8% 的 ASVs 在所有产地共享789。
• 差异丰度分析：通过对不同基因型和产地的样本进行差异丰度分析，发现许多细菌和真菌 ASVs 的丰度受到显著影响。在细菌中，不同产地和基因型间有大量 ASVs 的丰度发生变化，且多属于 Firmicutes 门；在真菌中，不同产地和基因型比较也有多个 ASVs 的丰度改变，主要与 Ascomycota、Basidiomycota 和未分类真菌相关1011。

综合研究结论和讨论部分，该研究意义非凡。一方面，首次明确了大麦基因型、产地及其相互作用对种子内生微生物群落的显著影响，揭示了塑造微生物群落的关键因素。另一方面，发现了细菌和真菌多样性及部分属与麦芽品质性状之间的紧密联系，这为大麦生产和制麦过程中微生物组的精准调控提供了坚实的理论基础。未来，有望基于这些发现，通过调控种子内生微生物群落来提高大麦的抗逆性和麦芽品质，如利用有益的细菌内生菌进行种子生物引发，探索微生物在不同制麦阶段的变化以优化制麦工艺等，从而推动大麦产业的可持续发展。 】