《Ecological Genetics and Genomics》：Microbial signatures of maize soils: Shifts in bacterial community across bulk and spermosphere niches
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玉米种胚phere与bulk soil的细菌群落通过16S rRNA测序比较，发现胚phere微生物多样性更高，有机碳、微生物量和呼吸量显著高于bulk soil，功能预测显示氨氧化基因（Nitrospirae）占主导，而硝酸盐还原基因在bulk soil中更丰富。研究强调了胚phere作为微生物热点和生物接种剂开发潜力，为可持续农业提供新方向。
阿鲁兰南达·阿比沙古（Arulanandar Abishagu）、阿里扬·马尼坎丹（Ariyan Manikandan）、潘迪安·卡南（Pandian Kannan）、纳拉亚南丹·马尼坎丹·博阿帕蒂（Narayanan Manikanda Boopathi）、A.R.U. 普拉加迪什（A.R.U. Pragadeesh）、穆鲁加伊扬·森蒂尔库马尔（Murugaiyan Senthilkumar）
印度泰米尔纳德邦哥印拜陀市泰米尔纳德农业大学农业微生物学系，邮编641003
摘要
种胚囊是植物微生态系统中的重要组成部分，在种子微生物生态学中起着重要作用，尽管目前对此研究还相对较少。了解玉米种胚囊中的微生物对于优化农业实践和提高作物产量至关重要。本研究通过16S rRNA V3–V4扩增子测序技术，调查了与玉米作物相关的土壤及种胚囊中细菌群落的多样性。共鉴定出1391个OTU（操作分类单元），并将其归类为32个门、77个纲、167个目、337个科、752个属。种胚囊与土壤在门水平上具有相似的特征，主要包含变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteria）、浮霉菌门（Planctomycetes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、绿弯菌门（Chloroflexi）、蓝细菌门（Cyanobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）和硝化螺旋菌门（Nitrospirae）等。在属水平上，Desulfallas、Chryseolinea、Stenotrophomonas和Niveispirillum在种胚囊中的丰度显著较高，而Synechococcus、Corynebacterium及未分类的Clostridiales则表现出显著减少。功能预测结果显示了334条KEGG通路和6759个同源基因。种胚囊土壤中的有机碳、微生物生物量和呼吸作用均高于土壤，这表明它们是微生物的热点区域，具有潜在的生物接种剂应用价值。种胚囊中以氨氧化基因为主，而土壤中则以硝酸盐还原和同化基因为主。种胚囊显示出更高的微生物多样性和独特的分类特征，表明其与土壤存在差异。这项初步研究表明，萌发的玉米种子形成了独特的微生物组，这表明在基于微生物组的研究基础上开发新的生物接种剂对于可持续农业实践具有重要意义。
引言
土壤是动态生物系统中微生物多样性的最丰富来源。这种未被充分探索的生物多样性可能是农业及其他应用所需的宝贵资源[1]。大多数土壤微生物群落代表了新的遗传和代谢多样性来源，它们是驱动土壤养分循环的主要力量[2]。这些微生物的功能对于维持土壤肥力、促进植物健康以及促进碳和氮等元素的循环至关重要[3]。微生物种群的多样性和活性受到植物种类、生长阶段、种子、植物根系分泌物、土壤性质以及各种压力因素的显著影响，这些因素共同塑造了微生物种群的结构和功能多样性[3]。
种子是植物的一个独特器官，它包含了植物生命周期的开始和结束。种子内部和表面寄居着众多微生物，这些微生物对种子储存[4]、萌发[5]、幼苗生长[6]以及整体植物健康[7]至关重要。种胚囊是指位于萌发种子表面1–10毫米范围内的富含微生物活动的土壤区域[8]。“种胚囊”或“精液囊”这一术语最初由Slykhuis在1947年提出，他观察到三种真菌能够抑制萌发种子周围的病原真菌。根据van Dijk Nelson的研究[9]，种胚囊是“围绕萌发种子的5到10毫米厚的土壤区域，该区域具有短暂的生命期、快速的变化和高度的微生物活性”。当种子被播种后，会吸收水分并释放富含养分的分泌物，从而促进土壤与种子相关微生物之间的相互作用。种子分泌物中含有多种分子，包括糖类、氨基酸、有机酸、酚类化合物和挥发物，其中一些分子已被鉴定并进行了定量分析。特定分泌物成分在种胚囊中的浓度对微生物的生长和发育起着重要作用。由于种胚囊的特性受到种子分泌物的显著影响，因此影响分泌物产生的因素也会影响种胚囊的大小和动态变化。目前已有许多尝试来量化种胚囊的大小及其对微生物活动的影响，但关于种胚囊中定植细菌生态学的研究仍然有限，并且最近才开始受到关注[8]。
对种胚囊微生物群落的研究尤为重要，因为目前对这些微生物了解仍然不足。生活在萌发种子上的微生物可能会影响引入微生物改善植物生长、固氮和抗病性的能力。这些天然存在的种子微生物有助于幼苗的成功建立，并对植物的长期健康有所贡献[10]。播种后几小时内，本地微生物会向萌发种子迁移，其数量可在12小时内达到每粒种子10^5至10^7个细胞[11]。定植在萌发种子上的本地微生物群落受到环境因素的影响，其中土壤类型对种胚囊微生物群落的多样性和组成有重要影响[12]。因此，了解种子萌发过程中种胚囊微生物组的动态变化至关重要。Ge和Wei的研究表明，在适宜的气候条件下，某些种胚囊细菌可以增强种子的能量代谢途径，从而通过功能优势促进种子发育，可能是因为它们能够产生植物激素[13]。相比之下，土壤通常处于寡营养状态，表现为养分转化率低和微生物活性减弱[14]。
玉米（Zea mays）是现代农业中的重要作物，在食品和工业领域都有广泛用途[15]。为了提高其产量，了解玉米种胚囊微生物组的复杂相互作用至关重要，因为这些微生物群落直接影响作物的健康。Mocali指出了传统方法在评估土壤微生物多样性方面的局限性[16]。尽管后来的分子指纹技术成为研究微生物群落的快速工具[17]，但由于基因鉴定和PCR效率的限制，仍存在偏差，导致我们对部分微生物群落的了解受到限制[18]。为了全面探索土壤微生物多样性，基因组学、转录组学和蛋白质组学的最新进展激发了人们对研究土壤中细菌群落的兴趣。基因组技术，如下一代测序（NGS）可用于高变区域（如16S rRNA基因）的测序，使研究人员无需进行细胞培养即可评估微生物群的遗传多样性。宏基因组学方法提供了关于微生物遗传学、生理学和群落结构的全面见解，从而加深了我们对微生物代谢功能的理解[19]。
在这项研究中，我们使用高通量测序技术比较了玉米种胚囊和土壤中的细菌群落结构。我们在田间条件下采集了土壤样本，精确地取出了萌发种子周围5–10毫米范围内的土壤，提取DNA后进行16S核糖体RNA的扩增和测序，以识别和分析玉米种胚囊和土壤中的细菌群落。此外，还分析了与主要细菌群落相关功能特征相关的基因，以评估其作为农业生态可持续性生物接种剂的潜在用途。我们假设不同作物和土壤类型下的种胚囊土壤中的细菌多样性存在差异。因此，本研究的目的是比较和表征与土壤及玉米种胚囊土壤相关的细菌的组成、丰富度和功能作用。
实验地点和土壤采样
本研究在印度泰米尔纳德邦哥印拜陀市的农业学院和研究所的东部试验农场进行。该试验农场位于泰米尔纳德邦的西部农业气候区，地理坐标为北纬11°、东经77°，海拔高度为426.7米。试验品种为TNAU COH (M) 6，生长期为110天。试验田经过翻耕和平整处理，形成了带有垄沟和足够灌溉渠道的种植区
土壤的物理化学和生物学性质
为了评估土壤因素对细菌群落的影响，我们从土壤和种胚囊区域采集了样本。对各种物理化学和生物学性质的分析显示，这些性质存在显著差异（表1）。土壤pH值介于7.56至7.95之间，电导率（EC）介于1.03至1.06 dS m^-1之间。有效养分含量分别为氮307.46–317 kg ha^-1、磷19.69–21.80 kg ha^-1、...
讨论
非生物和生物因素，如气候、土壤的物理化学性质、水分的可利用性、植物的存在类型以及其他低等或高等分类水平的原核和真核生物的相互作用，都会影响土壤微生物群落的分类和功能结构[39]。影响细菌多样性的主要土壤因素取决于具体环境。在碱性、盐碱性和盐渍土壤中，pH值和电导率是关键因素
结论
总体而言，种胚囊土壤中的微生物群落丰度和多样性高于土壤。此外，一些促进植物生长的微生物在种胚囊中的数量比在土壤中更多。这些发现强调了微生物多样性在农业生产力中的重要性，并表明通过靶向微生物组管理策略可以提高作物的抗逆性和产量。
参与同意书
不适用。伦理批准
不适用。发表同意书
不适用。资金支持
由IFFCO提供资金支持 [项目编号：5531/221004240558–0]。作者贡献声明
阿鲁兰南达·阿比沙古（Arulanandar Abishagu）：撰写初稿、审阅和编辑。阿里扬·马尼坎丹（Ariyan Manikandan）：数据管理、软件处理、可视化。潘迪安·卡南（Pandian Kannan）：研究实施、项目管理、资源协调。纳拉亚南丹·马尼坎丹·博阿帕蒂（Narayanan Manikanda Boopathi）：数据分析、监督。A.R.U. 普拉加迪什（A.R.U. Pragadeesh）：数据管理、软件处理、验证。穆鲁加伊扬·森蒂尔库马尔（Murugaiyan Senthilkumar）：概念构思、研究设计、方法论制定、监督、审阅和编辑。利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
感谢所有合作者的支持和指导，同时也感谢IFFCO [项目编号：5531/221004240558–0] 对未来粮食安全和生态系统可持续性研究的资助。
