通过整合宏条形码和培养组学方法揭示的玉米杂交种复现性及生态位特异性功能细菌组

《Archives of Microbiology》：Recurrent and niche-specific functional bacteriome of maize hybrid revealed by integrated metabarcoding and culturomics

　　

摘要

植物微生物组在植物于自然栖息地中的生存过程中发挥着关键作用，通过促进养分获取、胁迫适应和病害抑制，同时为提高作物产量和气候韧性提供了机遇。然而，玉米相关生态位中持久性和可培养细菌组的分布及其功能潜力仍未得到充分解析。本研究整合宏基因组下一代测序（基于mNGS的DNA条形码分析）和培养组学，表征了不同种植和耕作制度下玉米杂交种PHM-1的农田土壤、根际表面、叶际表面和玉米穗的伴生细菌组，并鉴定出反复出现且具有农业应用前景的细菌组成分。细菌组表现出显著的生态位特异性结构特征，而不同种植和耕作处理间的总体细菌群落组成差异不显著（ANOSIM，R = 0.038，p = 0.306）。可培养细菌组中变形菌纲占主导地位（69–84%；平均76.2%），但其仅占细菌组总量的1%，而Patescibacteria和厚壁菌门则相对富集。生态位特异性优势菌属表现明显，在禾本科作物单作条件下，Pantoea占叶际细菌组总量的40.79%，占可培养叶际细菌组的56.27%；而Serratia分别占玉米穗细菌组总量和可培养玉米穗细菌组的31.59%和59.40%。在不同生态位中，mNGS捕获了更大的细菌组多样性，特别是在土壤相关区室中捕获了大量不可培养和未鉴定的类群，而培养组学恢复的类群范围较窄但具有功能可及性。培养组学获得99株分离株，涵盖12属32种，其中包括与mNGS鉴定的反复出现细菌组共有6属：Bacillus、Enterobacter、Pantoea、Pseudomonas、Serratia和Stenotrophomonas。功能筛选表明核心关联分离株具有强烈的生物防治和植物促生特性。Pseudomonas oryzihabitans ZM-DL-PA10通过分泌代谢物和挥发性代谢物分别抑制Rhizoctonia solani、Macrophomina phaseolina和Bipolaris maydis，抑制率分别高达40.6%、43.9%和45.2%；具有磷、钾和锌的溶解能力；并产生吲哚-3-乙酸（IAA）和铁载体。其在B. maydis病害指数（ADI）测试中记录最低值1.00。Pantoea ananatis ZM-BH-EA4通过挥发性代谢物分别抑制R. solani和B. maydis，抑制率分别为52.4%和68.5%。总体而言，mNGS与培养组学的整合揭示了高度区室化的玉米细菌组，并鉴定出反复出现、可培养且具有功能应用前景的细菌类群，为基于微生物组的作物保护和气候韧性玉米生产提供了靶向资源。