种子微生物组对短柄草属种子萌发及幼苗性状的影响：亲本基因型与物种来源的关键作用

本研究针对种子微生物组如何影响植物早期发育这一关键问题，通过高通量扩增子测序分析了 Brachypodium distachyon 和 B. hybridum 的种子细菌组（bacteriome）和真菌组（mycobiome），并评估其对种子萌发和幼苗性状的影响。研究发现微生物组对性状的影响较弱，仅冷层积期间萌发与最丰富微生物科丰度呈边际正相关（R2=0.29, p=0.07），而基因型是更主要的影响因素。该研究强调了亲本基因型在种子微生物组构建中的主导作用，对农业和生态恢复中的微生物-性状预测具有重要启示。

　　

在植物与微生物的共生关系中，种子微生物组作为植物生命起点的重要伙伴，承载着影响植物整个生命周期的关键信息。这些微小的“乘客”不仅包括细菌、真菌，还有病毒和卵菌，它们通过垂直传播（从亲本植物通过花粉或母体组织）或水平传播（从土壤、雨水等环境介质）进入种子，成为植物微生物组定殖的第一步。然而，尽管种子微生物组被认为可能影响种子萌发、幼苗建立乃至植物健康，但科学界对其具体作用机制和影响程度的了解仍非常有限。尤其缺乏的是定量研究，将种子微生物组特征与具体的种子萌发响应和幼苗性状联系起来——在本文之前，仅有极少数研究尝试过这样的关联分析。

更复杂的是，亲本基因型和物种来源在塑造种子微生物组中扮演着关键角色。母体基因型的影响往往不亚于甚至超过环境因素，而宿主物种的差异也会导致微生物组组成的显著变化。与此同时，幼苗性状（如根长、叶片数等）同样受到母体基因型和环境的显著影响。那么，一个核心问题随之产生：种子携带的微生物组能否解释幼苗性状的变异？如果能，细菌和真菌的作用是否不同？这些问题对于农业育种和生态恢复中利用微生物组进行性状预测具有重要的应用价值，却仍待深入探索。

为了回答这些问题，研究人员在《Symbiosis》上发表了一项针对短柄草属（Brachypodium）近缘种的研究。短柄草作为禾本科的模式植物，因其自花授粉特性、基因组简单且与主要谷物作物相关，成为研究种子微生物组的理想系统。研究团队选取了二倍体 Brachypodium distachyon（来自阿富汗的野生种群）和异源六倍体 B. hybridum（来自土耳其的近交系）两个物种，通过在温室中培育亲本植株生产种子，并利用高通量扩增子测序技术详细解析了种子中的细菌和真菌群落。同时，他们对同批种子萌发后的幼苗进行了多性状表型测量，包括萌发时间、根长、根尖数、叶片数等，以期定量揭示微生物组与植物性状间的关联。

本研究主要采用了以下关键技术方法：首先，通过温室栽培控制环境条件，从两个短柄草属物种（Brachachypodium distachyon 和 B. hybridum）的五株亲本植株上生产种子样本；其次，利用16S rRNA基因和ITS2区域的高通量扩增子测序（Illumina MiSeq平台）分析种子细菌组和真菌组，并通过DADA2和QIIME2流程处理序列数据，生成扩增子序列变体（ASVs）；同时，对种子进行表面灭菌以聚焦内生微生物，并通过冷层积和纸上萌发实验评估萌发率和幼苗性状；最后，应用DivNet计算微生物多样性指数，并采用PERMANOVA和广义线性模型（GLM）统计分析微生物群落与性状的关系。

3 Results

3.1 Seed germination and seedling trait responses

种子萌发率和幼苗性状在不同亲本基因型间存在显著变异。阿富汗种源的某些母系基因型甚至完全未萌发。在评估的八个性状中，仅“冷层积期间是否萌发”与最 prevalent 的微生物科（细菌为乳杆菌科 Lactobacillaceae 和棒状杆菌科 Corynebacteriaceae，真菌为枝孢菌科 Cladosporiaceae 和瓦莱霉科 Wallemiaceae）的丰度呈边际显著正相关（R2=0.29, p=0.07），即这些微生物的丰度增加会提高冷层积期间的萌发概率。其他性状（如根长、根尖数、叶片数等）与微生物多样性（丰富度、香农多样性、均匀度）或无显著关系，细菌与真菌之间也无差异。

3.2 Sequencing read outcomes

测序共获得3,948,698条16S reads和5,892,915条ITS2 reads，经处理后分别得到1432个细菌ASVs和658个真菌ASVs。Bray-Curtis相似性分析显示，真菌群落（ITS2）在不同种源（阿富汗 vs. 土耳其）间呈现分化趋势，但PERMANOVA分析未达到显著水平；细菌群落（16S）则无种源间差异。然而，在单个亲本基因型水平上，微生物群落存在显著差异。

4 Discussion

本研究是少数定量 linking 种子微生物组与种子萌发及幼苗性状的研究之一，主要发现包括：首先，微生物多样性（无论是细菌还是真菌）与幼苗性状无显著关联；其次，只有冷层积萌发受最丰富微生物科的微弱正影响；第三，虽然幼苗性状和萌发响应因种源和基因型而异，但这一模式仅延伸至真菌群落的种源间分化。这些结果表明，种子微生物组对萌发和幼苗性状的影响可能较弱，而基因型的影响更为主导。

种子微生物组影响微弱可能与萌发过程中微生物群落的动态变化有关。萌发会显著改变微生物组成，形成“精子圈（spermosphere）微生物组”，其与种子内生群落已有不同。此外，种子微生物向幼苗的转移效率可能有限，尤其是根系性状更易受根际微生物组（而非种子来源）的调控。本研究中检测到的 prevalent 微生物科（如棒状杆菌科、乳杆菌科、枝孢菌科）在以往研究中已被报道具有促进生长、抗病原或致病等不同功能，但它们的具体作用机制复杂且情境依赖。例如，棒状杆菌科（Corynebacteriaceae）在种子成熟过程中 dominant，且已知具有促生长能力；乳杆菌科（Lactobacillaceae）通过乳酸发酵抑制真菌病原；枝孢菌科（Cladosporiaceae）则可能兼具致病和应激缓解作用。这些复杂的功能背景使得微生物组与性状的简单预测变得困难。

亲本基因型和种源对性状的强烈影响与既往研究一致，表明在短柄草属中，遗传因素可能压倒微生物组的影响。真菌群落比细菌群落更易受种源分化，这可能与真菌更依赖垂直传播有关，而细菌的快速繁殖使其更易成为环境中的“泛在物种”。自花授粉（如短柄草的特性）可能进一步加剧真菌群落的特异性。

研究的局限性包括：种源间基因型变异不平衡（土耳其为近交系，阿富汗为野生群体），可能影响微生物组变异模式；微生物组与性状评估非同一种子，限制了直接因果推断；种子存储和处理历史未知可能引入 confounding factors。未来研究需结合宏基因组学、功能表征（如代谢组学）和更精细的实验设计，以深入解析种子微生物功能及其在植物建立中的作用。

5 Conclusions

本研究定量揭示了短柄草属种子微生物组对萌发和幼苗性状的影响微弱，仅冷层积萌发与特定微生物科丰度呈边际正相关，而基因型是更主要的影响因子。这一发现对农业和生态恢复中基于微生物组的性状预测提出了挑战，强调需进一步探索微生物功能、宿主遗传背景及其互作机制。种子微生物组研究仍处于早期，但通过整合多组学方法和功能验证，有望为实现微生物-性状预测的最终目标铺平道路。