玉米根际合成菌群中37种细菌的全基因组测序解析及其在微生物组研究中的应用价值

本研究通过高通量测序技术（Illumina/ONT）成功组装了玉米根际合成菌群（MARSc）中37株细菌的完整基因组，为解析植物-微生物互作机制提供了关键工具。研究团队创新性地采用混合组装策略（Trycycler整合Flye/Raven/Miniasm），结合多平台测序数据（HiSeq 3000/NextSeq 2000/GridION），攻克了放线菌门（Actinomycetota）等难培养菌株的DNA提取难题，所获基因组完成度高达100%（CheckM评估），包含Agrobacterium radiobacter等具有农业应用潜力的菌株。

　　

ABSTRACT

研究团队报道了从玉米根际和内生环境中分离的37种细菌的完整基因组组装。这些菌株经过严格筛选（基于系统发育分析和互作网络），构成玉米根际合成菌群（MARSc），为研究根系微生物组装配规律提供了标准化工具。值得注意的是，所有基因组均达到染色体级别组装（N50最高达8.65 Mb），其中Streptomyces sp. E-08等菌株的GC含量高达72.4%，体现了技术突破。

ANNOUNCEMENT

创新性地建立了玉米根际合成菌群研究体系。菌株来源于低氮土壤栽培的Phz51玉米品种，通过16S rRNA（V1-V9区）测序从400余株初筛菌种中精选而出。关键技术突破包括：

1）DNA提取优化：针对不同菌群特性采用差异化方案，如Actinomycetota门菌株需添加0.5%甘氨酸和25%蔗糖的裂解缓冲液；

2）测序策略：结合Illumina短读长（平均覆盖深度63-411×）和ONT长读长（N50达47 kb），采用PEG 8k选择性沉淀获取>30 kb片段；

3）混合组装：运用Trycycler整合Flye/Raven/Miniasm三种组装结果，经Medaka和POLCA多轮抛光后，基因组完成度（CheckM）全部>98.8%。

表1数据显示，37个菌株分属5大门类，其中：

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  变形菌门（Proteobacteria）占比最高，如Pseudomonas brassicacearum E-05（6.7 Mb，60.9% GC）；

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  放线菌门（Actinomycetota）挑战最大，如Streptomyces sp. R-07需特殊培养条件（含甘氨酸的1/2 TSB培养基）；

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  多质粒系统：Agrobacterium radiobacter E-04携带536 kb大质粒（CP184252），而Ralstonia sp. R-29拥有4条染色体（3.7 Mb主染色体+3个附属元件）。

测序技术方面，研究团队采用：

1）Illumina平台：HiSeq 3000（ISU DNA Facility）和NextSeq 2000（SeqCenter）双保险；

2）ONT平台：GridION（ISU）、PromethION（Plasmidsaurus）和MinION Mk1C三线并行；

3）质量控制：fastp（v0.23.2）过滤短读长，filtlong（v0.2.1）保留>1 kb的ONT读长（top 95%质量）。

生物信息学分析亮点：

1）组装验证：通过MUMmer（v3.23）自比对检测环化假象，BEDtools修剪末端重叠；

2）基因组注释：使用Prokka流程预测基因，Dyadobacter endophyticus E-01含6,318个CDS；

3）特殊处理：线性染色体（如Streptomyces）保留天然结构，环状基因组通过Circlator调整dnaA起始位点。

ACKNOWLEDGMENTS

该研究获美国国家科学基金会（DGE-1545453）、爱荷华农业实验站和美国能源部（DE-ACo2-07CH11358）联合资助。值得注意的是，菌株资源库的建立为后续研究玉米耐低氮机制、微生物-植物信号传导等农业关键问题奠定了基础，其中Burkholderia ambifaria R-30等菌株的基因组特征（7.5 Mb，3染色体）为比较基因组学研究提供了新素材。