基因组水平的宏基因组学揭示了铁代谢在干旱诱导的根际微生物组动态中的作用

Genome-resolved metagenomics reveals role of iron metabolism in drought-induced rhizosphere microbiome dynamics

Nature Communications [IF:14.919]

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-021-23553-7

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-23553-7

发表日期：2021-05-28

第一作者：Ling Xu(徐凌)^1,2

通讯作者：Ling Xu(徐凌)(xuling@berkeley.edu)^1,2 and Devin Coleman-Derr
(colemanderr@berkeley.edu)^1,5

合作作者: Zhaobin Dong,Dawn Chiniquy,Grady Pierroz,Siwen Deng,Cheng Gao(高程),Spencer Diamond,Tuesday Simmons,Heidi M.-L. Wipf,Daniel Caddell,Nelle Varoquaux,Mary A. Madera,Robert Hutmacher,Adam Deutschbauer,Jeffery A. Dahlberg,Mary Lou Guerinot,Elizabeth Purdom,Jillian F. Banfield,John W. Taylor,Peggy G. Lemaux

主要单位：

¹美国加州大学伯克利分校(Department of Plant and Microbial Biology, University of California, Berkeley, CA, USA)

²中国农业大学( State Key Laboratory of Plant Physiology and Biochemistry,
Department of Microbiology and Immunology, College of Biological Sciences, China Agricultural University, Beijing, China)

⁵美国加利福尼亚州植物基因表达中心(Plant Gene Expression Center, USDA-ARS, Albany, CA, USA)

干旱对作物生长发育有着重要的影响，也是制约作物产量的关键因素。已有研究证明，微生物组在增强植物的抗旱能力方面发挥着重要作用。但是当前对于根际微生物与植物在干旱下的互作机制知之甚少。课题组前期的研究证实干旱会诱导根际微生物组中放线菌的富集。

本研究以高粱作为研究对象，对高粱根际土壤样品进行鸟枪法宏基因组测序，最终从样品中提取了55个高质量的细菌基因组，其中有15个基因组被注释为放线菌。进一步分析显示，虽然15种放线菌基因组相对丰度在干旱条件下都会增加，但是只有10个基因组表现出显著性提高。这表明即使在放线菌门内，也可能存在不同的干旱响应表型。比较基因组学揭示铁转运和代谢相关基因的拷贝数在干旱下显著富集的放线菌基因组中增加。这些结果暗示了铁代谢和转运在根际微生物适应干旱胁迫过程中的重要作用。进一步对根际铁稳态与干旱条件下根际放线菌的富集程度之间的关系进行了探究，发现高粱根际的铁稳态会受到干旱干扰，表现为干旱下铁吸收减少、铁储存增加，而这一过程会增加根际放线菌在干旱下的富集丰度。此外，外源施加铁会降低干旱条件下链霉菌的适应性优势和促进植物生长的能力。总之，该研究剖析了植物与微生物组在干旱下的相互作用关系，增进理解根际微生物组在植物对干旱胁迫过程中发挥的重要作用，为利用微生物组提高植物抗逆性提供了重要的参考价值。

主要结果

图1 干旱条件下高粱根际微生物物种组成的相对丰度

Relative abundance profiles of microbial taxa in the sorghum rhizosphere under drought

浇水对照 (a, c, e) 和干旱处理 (b, d, f) 通过 16S rRNA 基因扩增子测序 (a, b )，来自鸟枪宏基因组数据集的共组装重叠群 (c, d)，以及映射到 55 个宏基因组组装基因组 (MAG) 的所有读长 (e, f)，前13个最丰富门的根际相对丰度百分比 (y 轴)。

所有五个时间点(TP3-TP10，显示在 x 轴上)都是根据所有三种数据分析类型的数据可用性选择的。映射到其他门或在门级别无法分类的所有读长被分组到第十四类，命名为其他。 TP：时间点。

图2 干旱条件下根际和土壤中细菌基因功能能力的富集

Bacterial gene functional capacity enrichment in rhizosphere and soil under drought

来自共组装重叠群的所有基因的细菌基因本体论 (GO) 富集分析显示，在干旱高峰期 (TP8) 根际或土壤在干旱条件下富集(第 1 和第 2 组)或降低(第 3 和第 4 组)。x 轴上的值表示每个类别中干旱条件下上调或下调基因的相对百分比相对于整个数据集中相应类别中基因总相对百分比的倍数富集比。差异表达基因少于五个的类别被省略。实心圆圈表示在单侧超几何检验中富集是显著的(p值<=0.05)。结果中更详细讨论的两个类别以粗体显示。

图3 55个MAG 的系统发育树

Phylogenetic tree of the 55 MAGs

a 图中心的系统发育树是由所有 55 个 MAG 构建的。 位于树枝末端(内环)的符号代表每个 MAG 的估计基因组完整性。星号(黑色)表示完整性大于 90%； 三角形(深灰色)代表完整性在 80% 到 89.9% 之间；方块(中灰色)表示完整性在 70% 到 79.9% 之间； 圆圈(浅灰色)表示完整性在 60% 到 69.9% 之间。彩色中间环代表每个 MAG 所属的门。彩色条的外环代表与浇水对照根际相比，干旱处理的根际内每个 MAG 的相对 log2 倍富集(橙色)或减少(绿色)。这棵树是用古菌外群进化枝重新确定根的。

b 从(a)中的 55个MAGs 树中剪下的 15个放线菌 MAGs 的系统发育树。左边的标签代表数据集中每个 MAG 的名称。右侧的条形图表示干旱条件下根际群落中的 log2 倍数富集。条形右侧的点表示非显著富集的 MAG，p 值 > 0.05；条形右侧的星号表示显著富集的 MAGs，p 值 < 0.05。使用 edgeR 计算 log2 倍富集和 p 值。

图4 根际干旱高峰期富集放线菌宏基因组组装基因组(MAG)的GO富集分析

GO enrichment analysis of enriched Actinobacterial metagenome-assembled genomes (MAGs) at the peak of drought in the rhizosphere

所有COGs的GO富集分析显示，干旱条件下，在时间点 8 (TP8) 干旱条件下的根际，与未富集的放线菌 MAGs (n = 5) 相比，富集的放线菌 MAGs (n = 10) 在基因组内富集。x 轴上的值表示每个类别中干旱下上调 COG 的相对百分比相对于整个数据集中相应类别中 COG 总相对百分比的倍数富集比。实(填充的)圆圈表示在单面超几何检验中富集的 p 值 < 0.05 的类别，空心圆圈表示 p 值 > 0.05 的类别。

图5 干旱胁迫下高粱根铁代谢基因表达情况

Iron metabolism gene expression in sorghum roots under drought stress

在干旱胁迫的根组织中，对于被注释为与铁稳态相关的大约 234 个表达基因，Log2 倍数表达随时间(x轴)的变化。顶部的x轴上表示时间点，时间点上方表示干旱(橙色)和恢复(绿色)处理阶段。层次聚类分析展示了两种广泛的基因表达模式：一组在干旱胁迫下表现出强烈下调的基因(用紫色树枝表示)，以及一组在干旱胁迫下表现出强烈上调的基因(用粉红色树枝表示)。右侧的五个标记基因代表在下一部分中使用 qRT-PCR 在玉米野生型和tom1突变体中研究的基因。

图6 植物中的TOM1缺陷型改变了根际微生物群落的组成

TOM1 deficiency in plants shapes the composition of the rhizosphere microbial community

根际微生物组组成的约束排序显示对照(a)和干旱(b)条件下植物基因型(野生型或 tom1 突变体)的影响。椭圆表示包含每个基因型95%概率的均值周围的区域。每个图顶部的 p 值代表 WT 和突变体之间差异的显著性，通过单侧的 PERMANOVA检验评估的。

c 在对照(左栏)和干旱(右栏)条件下，tom1 与野生型玉米中放线菌相对丰度的比值。

d 在生长室中生长 2.5 周的对照(左面)或干旱(右面)条件下，野生型和 tom1 突变植物根际中 13 种最丰富的细菌门的相对丰度。在对照条件下，WT 和 tom1 突变体丰度的显著差异通过配对双两尾T 检验确定，并用门名称右侧的星号表示：，p < 0.05； ，p < 0.01； ，p < 0.001。

图7 外源铁破坏链霉菌的富集并逆转促进植物生长的能力

Exogenous iron disrupts Streptomyces enrichment and reverses plant growth promotion capacity

a 在施铁和模拟对照 (0 mM Fe3+)两个水平的Streptomyces ceolicolor Sc1(上图)和Pseudomonas syringae (下图)菌株的对照(绿色)和干旱处理(橙色)根样品中使用谱系特异性引物进行qPCR测定的相对细菌数量的箱线图。

b 基于使用Fe3+ 和模拟对照 (0 mM Fe3+)两个水平鲜根重表型的测量发现干旱下链霉菌放线菌赋予的促进根生长的表型丧失(上图)。在对照条件下未观察到显著差异(下图)。单尾Tukey的多重比较检验用于计算不同接种之间的 p 值。值是来自七个独立生物学重复的平均值 ± SD (n = 7)。

对于 (a)、(b)，单侧 Tukey 多重比较检验用于计算不同接种之间的 p 值。

图 8 铁、干旱和根微生物组之间的互作模型

Model of interaction between iron, drought, and the root microbiome

a 在干旱胁迫下，高粱的光合作用能力下降，从而导致对由根部摄入的铁的需求的减少。同时，随着水分从土壤孔隙中去除，周围的土壤环境变得越来越好氧。

b 土壤通气性的增加导致铁对植物和微生物的可用性降低，因为铁越来越多地以不溶性Fe³⁺的形式存储(如红色文本所示)。同时，由于对铁的需求减少和根组织中存在的 ROS 水平增加，高粱根会降低铁吸收机制的表达，包括TOM1，它向根际输出植物铁载体mugenic acid (MA)，以溶解Fe³⁺(见蓝色文本)。总的来说，这导致了根际铁的可溶性降低，并减少了根区的有效铁。

c 由此产生的根和根际环境中的低铁可用性促进了干旱富集的细菌类群(以蓝色显示)的生长，这些细菌类群具有高拷贝数的铁转运和代谢相关基因，能够比干旱减弱的谱系(以棕色显示)更好地吸收有限的铁。

该项研究得到了能源部和美国国立卫生研究院的资助。该成果充分发挥了合作各方的优势，实现了植物逆境生理和根系微生物组紧密结合，为提高作物抗逆性提供了新的思路，对提高植物耐旱性以增加粮食安全具有重要意义。加州大学伯克利分校的Devin Coleman-Derr为该研究的通讯作者。中国农业大学生物学院徐凌教授为第一作者和共同通讯作者。中科院微生物所高程研究员也参与了此项工作。

中国农业大学生物学院徐凌课题组诚聘博士后

徐凌，教授，博士生导师，2014年毕业于中国农业大学，2015-2021年在加州大学伯克利分校从事博士后的研究工作。2021年以“杰出人才”引进中国农业大学，任生物学院微生物学与免疫学系教授。课题组主要聚焦植物微生物组的多样性和功能研究，挖掘微生物组与宿主植物之间的互作关系。综合采用宏基因组、宏转录组、代谢组、分子遗传学和系统生物学等多技术交叉的策略，探索根系、叶际微生物群落对植物宿主生长发育、养分协同以及逆境抗性的生物学功能，探究微生物组促进植物生长的潜力。主要研究成果以第一或通讯作者发表在Nat Commun (2021)、PNAS (2018，2020)、Microbiome(2021)、Nucleic Acids Res(2019)、Curr Opin Microbiol(2019)等学术期刊上，其中2篇入选Web of Science高被引论文。

因课题组发展需要，现诚聘博士后1-2名。招收条件：

1、    在海内外知名高校或科研机构获得生物信息学、微生物学、植物学、分子生物学、遗传学或植物病理学等相关学科的博士学位；

2、    以第一作者在国际刊物发表过SCI论文；

3、    具有很强的科研动力和责任心；

4、    能在导师指导下独立设计研究课题、开展科研工作，具有团队协作精神、创新能力和良好的英文科技论文写作能力。

应聘方式：

有意者请将个人简历(包括教育经历、研究背景、反映本人学术水平的代表性成果或奖励、研究兴趣)以电子邮件形式发送到：xul at cau.edu.cn，邮件主题请注明“应聘博士后-姓名”。课题组初审应聘材料后，将与合适的候选人取得联系。

岗位待遇：

待遇和考评要求参照中国农业大学相关人事政策，双方协商后确定：http://rcb.cau.edu.cn/art/2019/1/1/art_35797_645808.html。

Reference

Ling Xu(徐凌),Zhaobin Dong,Dawn Chiniquy,Grady Pierroz,Siwen Deng,Cheng Gao(高程),Spencer Diamond,Tuesday Simmons,Heidi M.-L. Wipf,Daniel Caddell,Nelle Varoquaux,Mary A. Madera,Robert Hutmacher,Adam Deutschbauer,Jeffery A. Dahlberg,Mary Lou Guerinot,Elizabeth Purdom,Jillian F. Banfield,John W. Taylor,Peggy G. Lemaux,Devin Coleman-Derr.  Genome-resolved metagenomics reveals role of iron metabolism in drought-induced rhizosphere microbiome dynamics. Nature Communications 12, 3209 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23553-7

Xu, L.(徐凌), Pierroz, G., Wipf, H. M.-L., Gao, C., Taylor, J. W., Lemaux, P. G., & Coleman-Derr, D. (2021). Holo-omics for deciphering plant-microbiome interactions. *Microbiome, 9(1), 69.

Xu, L.(徐凌), & Coleman-Derr, D. (2019). Causes and consequences of a conserved bacterial root microbiome response to drought stress. *Current Opinion in Microbiology, 49, 1–6.

Xu, L.(徐凌), Naylor, D., Dong, Z., Simmons, T., Pierroz, G., Hixson, K. K., Kim, Y.-M., Zink, E. M., Engbrecht, K. M., Wang, Y., Gao, C., DeGraaf, S., Madera, M. A., Sievert, J. A., Hollingsworth, J., Birdseye, D., Scheller, H. V., Hutmacher, R., Dahlberg, J., Jansson C., Taylor J. W., Lemaux P. J., & Coleman-Derr, D. (2018). Drought delays development of the sorghum root microbiome and enriches for monoderm bacteria. *Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 115(18), E4284–E4293.

猜你喜欢

• 10000+: 菌群分析
  宝宝与猫狗 提DNA发Nature 实验分析谁对结果影响大  Cell微生物专刊 肠道指挥大脑
• 系列教程：微生物组入门 Biostar 微生物组  宏基因组
• 专业技能：生信宝典 学术图表 高分文章 不可或缺的人
• 一文读懂：宏基因组 寄生虫益处 进化树
• 必备技能：提问 搜索  Endnote
• 文献阅读 热心肠 SemanticScholar Geenmedical
• 扩增子分析：图表解读 分析流程 统计绘图
• 16S功能预测   PICRUSt  FAPROTAX  Bugbase Tax4Fun
• 在线工具：16S预测培养基 生信绘图
• 科研经验：云笔记  云协作 公众号
• 编程模板: Shell  R Perl
• 生物科普: 肠道细菌 人体上的生命 生命大跃进  细胞暗战 人体奥秘  

写在后面

为鼓励读者交流、快速解决科研困难，我们建立了“宏基因组”专业讨论群，目前己有国内外5000+ 一线科研人员加入。参与讨论，获得专业解答，欢迎分享此文至朋友圈，并扫码加主编好友带你入群，务必备注“姓名-单位-研究方向-职称/年级”。技术问题寻求帮助，首先阅读《如何优雅的提问》学习解决问题思路，仍末解决群内讨论，问题不私聊，帮助同行。

学习扩增子、宏基因组科研思路和分析实战，关注“宏基因组”

点击阅读原文，跳转最新文章目录阅读
https://mp.weixin.qq.com/s/5jQspEvH5_4Xmart22gjMA