文献解读|MICROBIOME（16.837）：利用玉米根系微生物群鉴定在低温条件下促进生长的细菌

在实验I和实验II中（表1），玉米分别在田间和田间土壤填充的花盆中生长。筛选后得到了在实验I中包含1013个ASVs、实验II中包含820个ASVs的ASVs计数表。分析表明，细菌群落组成差异的主要驱动因素是样品类型，即散土或根际（图1 A）。

图1.田间和盆栽玉米的主要根际层群落的鉴定

A.田间和盆栽玉米中土壤和根际微生物群落的主坐标分析（实验I和II）B.在科水平上分析两个实验中的细菌群落 C.实验I（蓝色）和II（红色）的根际中富集科的重叠 D.每个实验中根际富集和丰度高的科

比较田间和盆栽植物的微生物群落，有12个根系内圈中相对丰度>0.5%和明显富集的细菌为主要微生物群落（图1 B,C,D）。田间生长和盆栽植物根际细菌群落中Actinobacteria 的丰度的差异最显著，几乎所有 Actinobacteria 的ASVs都被归入Streptomycetaceae。推测田间或盆栽会影响Streptomycetaceae的丰度。实验结果表明，田间土壤和盆栽影响了根际微生物群落，并确定了生长在比利时田间土壤的玉米的12个不同科的主要根部微生物群落。

通过实验III（表1）研究细菌是否可以从附近的土壤或透过种子在根际定殖。比较了散土样品、在无菌土壤条件下体外生长的玉米幼苗的根际样品和在田间土壤填充盆中生长的幼苗的根际样品。PERMANOVA分析表明，样本类型决定了细菌群落结构的大部分变化（图2 A）。

表1. 实验设置

图2.种子遗传根微生物群落对玉米根微生物的影响

A.实验III中土壤生长和体外生长的玉米的根际和散土中微生物群落的Bray-Curtis差异指数 B.比较体外种植的玉米的根际与土壤种植的玉米和散土样品的根际丰度

在离体培养玉米的根际中总计检测到21株细菌ASVs，分属于3个不同的门:Bacteroidetes、Firmicutes和Proteobacteria（图2 B）。在体外和土壤生长玉米的根际中，Moraxellaceae科（变形杆菌门）分别含有7个和3个ASVs，在散土中未检测到该科，表明这些ASVs很可能通过种子定植于根际（图2 B）。体外生长玉米的根际中第二丰富的科是Flavobacteriaceae，在散土中也检测到了该科，但与体外生长玉米的根际中发现的不同(图2 B)。根据这些数据可以假设，尽管根际细菌群落有通过种子定殖的，但主要是从周围的土壤微生物群落获得的。

在实验IV和V中分别检测到1137和962个ASVs（表1; 图3A）。除了样本类型对群落结构的影响外，还观察到了温度和样本类型之间显著的相互作用。无论是在散土还是在根际，温度都对细菌群落有显著影响。两个实验中，散土中低温处理的微生物群落的变化均小于根际土壤，对照和低温生长的玉米植株根际微生物群落差异显著（图3B）。

图3.实验IV和V中低温处理后细菌群落的变化

A.在田间土壤中生长的四周大的玉米植株 左侧和右侧植株分别在低温和常温条件下生长 B.散土和根际微生物群落的主坐标分析C. 低温反应科与主要微生物群落之间的重叠 D.根内层细菌科在低温实验中的富集和枯竭

此外，确定了根内层中15个在低温条件下在持续响应的细菌科，其中12个科在两个实验中都富集，3个在两次实验中都枯竭。比较了低温反应科和已确定的主要微生物群落，发现了四个细菌科的重叠(图3C)。此外，在低温中，根际中主要由Streptomycetaceae组成的放线菌显著减少，其它三个低温响应科经常枯竭（图3D）。

实验表明，低温以循环模式影响根内层的微生物群落，既富集和消耗了某些低温反应科，也在较小程度上富集和消耗散土中的微生物。

实验假设在低温下，根际通过吸收细菌类群触发对低温胁迫的适应并促进植物生长。建立了一个由282个在寒冷温度下生长的玉米根系内生细菌菌株组成的细菌库。确认了主要微生物群中对寒冷有反应的四个科（Flavobacteraceae、Comamonadaceae、Caulobacteraceae和Streptomycetaceae）都出现在细菌库中（图3C和图4）。此外，还分离出了其他对寒冷有反应的6个科（图4）。

图4. 玉米内生菌的细菌采集

筛选出根际富集的细菌，确定其对总鲜重的促生长作用。对于已确定的PGPR菌株RHG5，没有在计数表中检测到具有100%相似性的ASVs。因此，不能通过选择低温反应科的细菌菌株检测PGPR。尽管如此，在根际富集的科是大规模筛选菌株的一个很好的标准。