北京蛋白質(zhì)組學(xué)——代謝組學(xué)與16S和ITS怎么聯(lián)合？

2023.8.28

中心法則”是生物界遵循的一法則，基因組學(xué)告訴我們能發(fā)生什么,轉(zhuǎn)錄組學(xué)告訴我們會(huì)發(fā)生什么，北京蛋白質(zhì)組學(xué)告訴我們執(zhí)行者是誰，代謝組學(xué)告訴我們已經(jīng)發(fā)生和正在發(fā)生的。想要完整的講述一個(gè)故事，只有一個(gè)組學(xué)怎么行！多組學(xué)聯(lián)合正如火如荼的進(jìn)行著，今天小編帶來一篇文章，先簡(jiǎn)單了解一下代謝組學(xué)與16S和ITS測(cè)序是怎樣團(tuán)結(jié)合作的。

北京蛋白質(zhì)組學(xué)

概述

根際微生物群落組成受土壤源、植物基因型和代謝物的影響

植物微生物是影響植物健康和生產(chǎn)力的主要因素，通過提高植物生長(zhǎng)力、養(yǎng)分利用效率和脅迫耐受性來改善農(nóng)業(yè)可持續(xù)性。植物通過調(diào)整代謝機(jī)制，針對(duì)植物病原和食草動(dòng)物進(jìn)化出一套防御策略。水楊酸是植物中普遍存在的低水平植物激素，在楊樹中作為一種濃縮的防御化合物，很可能充當(dāng)根際微生物群落的選擇性過濾器。

樣本選擇

（1）植物根：12種基因型的楊樹苗分別扦插在兩種土壤中進(jìn)行溫室生根，每個(gè)基因型在每種土壤中設(shè)置5個(gè)生物學(xué)重復(fù)。

（2）兩種土壤：分別取樣于美國克拉茨卡尼（Clatskanie）和科瓦利斯（Corvallis）。

（3）外生菌根：每個(gè)樹苗取100個(gè)生物學(xué)重復(fù)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

作者在兩種不同來源的土壤中繁殖了12種基因型的毛果楊，這些基因型會(huì)導(dǎo)致水楊酸次生代謝產(chǎn)物不同。生長(zhǎng)四個(gè)月后，測(cè)量植物特性（葉片生長(zhǎng)，葉綠素含量和光合速率）和植物根部水楊酸代謝物。此外，通過16S和ITS2 rRNA基因測(cè)序，測(cè)定根際微生物的組成。

北京蛋白質(zhì)組學(xué)

1結(jié)果展示

1.植物代謝組學(xué)與植物性狀數(shù)據(jù)

不同基因型間代謝物水平差異顯著，水楊酸與基因型×土壤源間相互作用顯著，兩種基因型在Corvallis土壤中表現(xiàn)出更高的水楊酸濃度（圖1）。與Corvallis土壤相比，在Clatskanie土壤中生長(zhǎng)的植物根系中產(chǎn)生的2’-苯甲酰水楊苷含量較高（圖1，C）。葉片生長(zhǎng)、葉綠素含量、光合速率在植物基因型和土壤源之間存在差異。外生菌根定植率在土壤源和植物基因型之間沒有差異，但與2’-苯甲酰水楊苷呈負(fù)相關(guān)。

北京蛋白質(zhì)組學(xué)

圖1：植物根中代謝物濃度與基因型和土壤來源的相關(guān)性；A，總酚類；B，水楊酸；C，2’-苯甲酰水楊苷；D，白楊苷。

2.微生物α多樣性

細(xì)菌/古細(xì)菌的多樣性和均勻度在土壤源和植物基因型之間差異顯著，細(xì)菌/古細(xì)菌的多樣性在Corvallis土壤中高百分之0.02，而在Clatskanie土壤中的均勻度高百分之10（圖2，A和B）。不同土壤間，真菌多樣性無差異（圖2，C），均勻度差異顯著（圖2，D）。在貧瘠的Corvallis土壤中，細(xì)菌/古細(xì)菌的多樣性和均勻度與白楊苷正相關(guān)（圖2，E和F）。

北京蛋白質(zhì)組學(xué)

圖2：A和C，細(xì)菌/古生菌和真菌的多樣性；B和D，細(xì)菌/古生菌和真菌的均勻度；E和F，細(xì)菌/古生菌和真菌的多樣性和均勻度與白楊苷的相關(guān)性。

3.微生物β多樣性

土壤源對(duì)細(xì)菌/古細(xì)菌和真菌的OTU水平組成影響很大，其次是基因型。對(duì)于細(xì)菌/古細(xì)菌和真菌群落組成，土壤源與基因型之間的相互作用是顯著的。除了GW-11032和HARA-26-2，其他基因型在土壤源間的細(xì)菌/古細(xì)菌和真菌中都有明顯變化。在Clatskanie土壤中，細(xì)菌/古細(xì)菌和真菌受到根部2’-苯甲酰水楊苷和柳皮甙的影響，真菌受到根部水楊酸的影響（圖3）。

北京蛋白質(zhì)組學(xué)

圖3：細(xì)菌/古細(xì)菌（A）和真菌（B）在12個(gè)基因型之間以及Clatskanie和 Corvallis土壤之間的非度量尺度排序。

4.優(yōu)勢(shì)微生物分類

Clatskanie土壤中放線菌門和其他真菌門的豐度較低，而酸桿菌門和擔(dān)子菌門的豐度較高（圖4）。β-變形菌門、酸桿菌門、疣微菌門、綠彎菌門和芽單胞菌門（優(yōu)勢(shì)菌）中大多數(shù)與水楊酸呈負(fù)相關(guān)，與2’-苯甲酰水楊苷相呈正相關(guān)。

北京蛋白質(zhì)組學(xué)

圖4：A，與土壤源相關(guān)的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門（變形菌門）相對(duì)豐度；B，與土壤源相關(guān)的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌科相對(duì)豐度；C，與基因型相關(guān)的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門相對(duì)豐度；D，與基因型相關(guān)的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌科相對(duì)豐度。

北京蛋白質(zhì)組學(xué)

圖5：A，與土壤源相關(guān)的優(yōu)勢(shì)真菌門（變形菌門）相對(duì)豐度；B，與土壤源相關(guān)的優(yōu)勢(shì)真菌科相對(duì)豐度；C，與基因型相關(guān)的優(yōu)勢(shì)真菌門相對(duì)豐度；D，與基因型相關(guān)的優(yōu)勢(shì)真菌科相對(duì)豐度。

小結(jié)

代謝組學(xué)在農(nóng)業(yè)園林領(lǐng)域大展拳腳，本篇文章應(yīng)用GC-MS/MS靶向檢測(cè)水楊酸及其次生代謝物，聯(lián)合16S和ITS測(cè)序，進(jìn)行表達(dá)相關(guān)性分析，得出以下結(jié)論：土壤源對(duì)微生物群落的組成影響很大。然而，在同種土壤來源中，細(xì)菌/古細(xì)菌受水楊酸的影響。水楊酸對(duì)真菌的影響較小。這些結(jié)果表明，植物防御策略，如水楊酸及其次級(jí)代謝產(chǎn)物，可能驅(qū)動(dòng)部分細(xì)菌/古細(xì)菌和真菌類群展現(xiàn)的定植和組裝模式。

參考文獻(xiàn)

Rhizosphere microbiomes diverge among Populus trichocarpa plant-host genotypes and chemotypes, but it depends on soil origin.Microbiome 2019 May 18;7(1). IF10.465

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