《Rhizosphere》：Genotype-Specific Rhizospheric Microbiome and Iron Mobilization Strategies in Wheat Revealed by Integrated Metagenomic and Imaging Analyses
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普拉加蒂·斯里瓦斯塔瓦（Pragati Srivastava）、贾斯迪普·查特拉特·帕达里亚（Jasdeep Chatrath Padaria）和约格什·K·阿赫拉瓦特（Yogesh K. Ahlawat）
印度农业研究委员会（ICAR）- 国家植物生物技术研究所（Nationa
普拉加蒂·斯里瓦斯塔瓦（Pragati Srivastava）、贾斯迪普·查特拉特·帕达里亚（Jasdeep Chatrath Padaria）和约格什·K·阿赫拉瓦特（Yogesh K. Ahlawat）
印度农业研究委员会（ICAR）- 国家植物生物技术研究所（National Institute for Plant Biotechnology）分子生物学与生物技术系，新德里Pusa校区，邮编110012
摘要
根际是围绕植物根系的一个高度动态且生物活性强烈的区域，在这里植物与多样的微生物群体之间发生着复杂的相互作用。这一微环境受到根分泌物、微生物代谢产物以及环境因素的共同影响，这些因素共同调控着养分循环和植物健康。在必需的微量营养素中，铁（Fe）在植物代谢中起着关键作用，它参与光合作用、呼吸作用和叶绿素生物合成等关键过程，从而对植物的营养和产量产生重要影响。为了研究微生物介导的铁吸收机制，我们对两种不同小麦基因型（HD2967（低铁积累型）和DBW303（高铁积累型）的根际土壤进行了鸟枪法宏基因组测序。使用CONCOCT和MaxBin工具组装的基因组（MAGs）结果显示，HD2967的基因组被分为四个主要组（例如concoct.5、concoct.6、maxbin.001和maxbin.002），而DBW303的基因组被分为五个主要组（例如concoct.11、concoct.14、concoct.15、maxbin.001和maxbin.002）。分类学分析显示出不同的模式：HD2967的基因组主要包含粘细菌门（concoct.6、maxbin.001）、阿尔法变形菌门（concoct.5）和德尔塔变形菌门（maxbin.002）；而DBW303的基因组则富含疣微菌门（concoct.11）、酸杆菌门（concoct.14）和伽玛变形菌门（maxbin.001、maxbin.002）。通过FeGenie进行的功能注释显示，HD2967的基因组中存在更丰富的铁载体转运和调控机制，该基因型中有多个ExbB/ExbD/TonB铁载体转运系统（concoct.6、maxbin.001、concoct.5）的基因，以及PvdS和PchR调控基因和铁氧化（FoxE）基因。DBW303也携带铁吸收相关基因，但基因数量较少且完整性较低；concoct.11和maxbin.002中的铁载体受体数量较多，但基因调控密度较低。EDX元素分析证实HD2967植物细胞中的铁积累量更高，这与微生物基因组在铁吸收方面的潜力相符。
透射电子显微镜（TEM）观察发现，在低铁胁迫条件下，两种小麦基因型的叶绿体超微结构存在显著差异。高铁积累型DBW303的叶绿体结构完整，基粒保持良好；而HD2967的叶绿体结构紊乱，完整性受损。这些细胞差异与能谱X射线光谱（EDX）数据一致，后者显示DBW303植物细胞内铁和微量营养素的沉积量更高，这反映了基因型对养分吸收的影响，可能表现为铁载体结合的铁沉积物或类似铁蛋白的储存形式。总之，分类学、功能学和元素数据的整合揭示了根际微生物群落及铁利用途径的显著基因型差异。这些发现为生物增效剂设计和针对作物微量营养素强化的定向微生物组工程提供了理论基础。
章节片段
引言
铁（Fe）是人类健康所需的必需元素；然而，其在小麦等谷物中的生物利用率有时会受到限制。与植物相关的微生物群落，尤其是在根际，通过铁载体合成和矿物溶解等过程影响养分的溶解、吸收和运输（Wang等人，2021年）。不同小麦基因型的铁积累能力存在差异，这可能与它们根际细菌的差异有关。
土壤采样与DNA提取
根际土壤样本取自位于北纬28.08°、东经72.12°的国家植物试验设施（National Phytotron Facility）进行的小麦（Triticum aestivum）盆栽试验，包括两种基因型：HD2967（高铁积累型）和DBW303（低铁积累型）。每个基因型的表层土壤（0–10厘米）采集了三个重复样本。根际土壤被混合成每个基因型的复合样本，立即转移到无菌的密封采样袋中，置于冰上运输，并储存在-20°C条件下。
对DBW303和HD2967根际宏基因组（MAGs）的比较分析显示，在基因组恢复率和功能潜力方面存在明显差异（表5、表6、表7、表8）。DBW303相关的MAGs具有相对较高的完整性，某些组（如concoct.11）的完整性高达81.12%，但污染水平也较高（最高达12.48%）；相比之下，HD2967相关的MAGs完整性较低（最高为45.8%）。
MAG质量指标的差异表明两种基因型对应的微生物群落结构存在显著差异。DBW303相关MAGs的较高完整性和较高的污染水平可能反映了少数优势类群的绝对主导地位及其潜在的菌株级异质性，这可能影响分组的准确性。相比之下，HD2967的较低完整性和较低的污染水平表明其微生物群落更为均匀和多样化，这对基因组分析带来了挑战。
结论
宏基因组测序彻底改变了我们对微生物群落的理解，特别是在根际环境中，使我们能够识别和功能表征那些无法培养的多样化微生物类群。诸如酸杆菌门、浮霉菌门、疣微菌门、链霉菌门和绿弯菌门等群体在养分循环、有机物降解和生态系统平衡中发挥着关键作用。这些发现对可持续农业具有深远意义。
CRediT作者贡献声明
约格什·K·阿赫拉瓦特（Yogesh K. Ahlawat）： 研究设计、资金获取、数据分析、概念构建。贾斯迪普·查特拉特·帕达里亚（Jasdeep Chatrath Padaria）： 方法学设计、研究实施、资金获取、数据分析。普拉加蒂·斯里瓦斯塔瓦（Pragati Srivastava）： 方法学设计、资金获取、数据分析、概念构建。
A等人，2024年；Azeem等人，2025年；Bello等人，2022年；Bharti等人，2023年；Blin等人，2021年；Bode和Müller，2007年；Chandwani等人，2023年；Compant等人，2005年；Lilay等人，2024年；Lu等人，2023年；Lu等人，2025年；Ma等人，2024年；Mohr等人，2018年；Nguyen等人，2024年；Saggu等人，2023年；Smith等人，2025年；Timofeeva等人，2022年；Wang等人，2022年；Wang等人，2023年；Xu等人，2022年。
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
