《Nature Microbiology》种子携带细菌驱动小麦根际微生物组组装：生态奥秘与农业新契机

《Nature Microbiology》：Seed-borne bacteria drive wheat rhizosphere microbiome assembly via niche partitioning and facilitation

在农业生产中，作物健康和产量与微生物群落密切相关，但土壤和根际微生物组复杂，植物微生物组工程面临挑战。研究人员开展 “种子携带细菌驱动小麦根际微生物组组装” 的研究，发现种子携带的根际细菌（SbRB）主导小麦根际微生物组组装，该成果为作物微生物组调控提供策略。

　　

在广袤的农田里，农作物的茁壮成长离不开微生物的助力。微生物群落如同隐藏在土壤中的 “神秘军团”，默默守护着植物的健康，影响着作物的产量。然而，这个 “军团” 的构成极为复杂，土壤和根际微生物组堪称地球上最复杂的环境之一。在植物微生物组工程领域，尽管人们试图通过添加有益微生物或去除有害病原体来调控根际微生物组（rhizobiome），以此提高作物产量，但由于对复杂微生物群落如何响应这些干预措施了解有限，使得相关研究进展缓慢。此外，获取可重复的自然植物相关微生物组也困难重重，这极大地限制了对微生物相互作用和群落动态基本原理的深入探究。为了揭开这些谜团，来自瑞士洛桑大学（University of Lausanne）的研究人员丹尼尔?加里多 - 桑斯（Daniel Garrido-Sanz）和克里斯托夫?基尔（Christoph Keel）开展了一项极具意义的研究，相关成果发表在《Nature Microbiology》上。

研究人员采用了多种关键技术方法。在微生物群落分析方面，运用 16S rRNA 测序和基因组解析鸟枪法宏基因组学技术，深入探究微生物群落的组成和功能。通过构建微宇宙实验系统，模拟自然环境，对小麦根际微生物组进行研究。同时，分离培养细菌并进行糖类利用分析，以明确细菌间的代谢关系。

研究结果如下：

1. 顺序演替驱动门特异性选择：研究人员通过六轮小麦根际微生物组的顺序繁殖实验发现，微生物群落发生了显著变化。最初的土壤微生物组组成出现强烈转变，主要是变形菌门（Proteobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidota）的细菌被选择，少数厚壁菌门（Firmicutes）和疣微菌门（Verrucomicrobiota）的成员也有所增加。在这个过程中，建立了一个稳定且多样的小麦根际群落（RhizCom），其分类组成在恢复后依然保持稳定。

2. 可遗传的 SbRB 构成主要的根际微生物组来源：研究表明，SbRB 在根际微生物组组装的早期生态位发展中占据主导地位。虽然只有少量的 RhizCom 扩增子序列变异（ASV）能追溯到土壤或 SbRB 群落，但这些可追溯的 ASV 在 RhizCom 中的相对丰度较高，其中 SbRB 来源的 ASV 占比更大。这说明在早期，SbRB 对根际微生物组的组装起到了关键作用。

3. 小麦根际微生物组与来源群落的功能差异：对 RhizCom、SbRB 和初始土壤群落进行宏基因组测序分析发现，它们在功能上存在明显差异。RhizCom 中参与生物膜形成、运动性和碳水化合物代谢的基因富集，而土壤群落则具有更广泛的代谢多样性，其基因更多参与各种化合物的生物降解和代谢。

4. 特殊的 SbRB 代谢促进根际微生物组组装：通过对宏基因组组装基因组（MAGs）的分析发现，SbRB 的 MAGs 中淀粉和蔗糖代谢、果糖和甘露糖代谢等相关注释比例较高，还具备同化特定细胞外二糖的能力。体外共培养实验也证实，Helper SbRB 菌株能促进伙伴细菌在二糖作为唯一碳源的条件下生长。

在讨论部分，研究人员指出，顺序繁殖策略成功构建了稳定、复杂且可重复的小麦根际微生物组，这表明环境介导的微生物组选择在不同宿主和栖息地中具有稳健性。SbRB 在根际微生物组中占主导地位，可能是由于优先效应，即种子微生物群的先驱成员强烈影响了根相关群落的形成。此外，SbRB 通过糖类代谢实现的生态位分化和促进作用，对根际微生物组的组装至关重要。这项研究揭示了种子微生物群动态在微生物演替和群落组装中的重要性，为作物微生物组的调控提供了理论依据和新的策略，有助于推动可持续农业的发展，让人们在不依赖有害化肥和农药的情况下，更好地提高作物产量和保障作物健康。