科研 | Microbiome：水稻驯化在进化上影响种子内细菌与真菌群落
编译：YQ，编辑：小菌菌、江舜尧。
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生命的进化由自然选择、偏向性突变、基因流动、基因漂移而驱动，而农作物往往经过'驯化’这一独特进化过程，人为地选育高产量与质量的作物品种。稻属（Oryza）共有22个野生种，其品种通过育种逐渐多样化，以获得理想性状。
植物的表型/性状不仅由基因组决定，也受相关微生物群落影响。寄主植物不同的发育阶段和生理状态影响微生物群落，研究表明植物根际、根内胚层、叶片的细菌群落受寄主和环境共同影响，且植物进化和驯化是影响根系细菌群落的重要因素，然而，研究中较少涵盖真菌群落，且利用的驯化品种有限。
植物种子是探究内生微生物群落进化的关键材料，因为种皮内的微生物群落受环境影响小，使得微生物群落在该驯化品种内稳定遗传。本研究利用水稻种子揭示了43个水稻品种（17个野生种和26个驯化品种）内的细菌和真菌群落组成差异，表明水稻驯化促进真菌和细菌群落聚集。
论文ID
原名：Domestication of Oryza species eco-evolutionarily shapes bacterial and fungal communities in rice seed
译名：水稻驯化在进化上影响种子内细菌与真菌群落
期刊：Microbiome
IF： 11.607
时间：2020.02
通讯作者：Yong-Hwan Lee
通讯作者单位：国立首尔大学农业生物技术学院
实验设计
① 植物材料。本研究收集17个野生稻品种和26个驯化品种，并基于NCBI数据库的水稻叶绿体基因组构建系统发育树（RAxML程序）。
② 微生物组测序。提取水稻种子DNA，PCR扩增基于16S rRNA、18S rRNA内部转录间隔区（ITS），PCR产物进行Illumina测序。基因序列在Silva数据库进行菌种鉴定，ITS序列在UNITE数据库进行鉴定。共鉴定出364个细菌类群及356个真菌类群进一步分析。
③ 统计分析（R语言）。inseq显示各菌群的丰度差异，Manteltest显示水稻遗传距离与菌群组成差异的相关性，ggplot对相对丰度大于0.5%的菌群进行分类，从而鉴定野生稻和驯化稻的核心菌群。
④聚类分析。基于各菌种丰度差异进行层次聚类；随机森林模型识别驯化相关的微生物群落；SparCC构建微生物间共现的网络，确定关键微生物菌种；根据育种年史对水稻品种分类，从而推测微生物群落的传播。
结果
1、水稻种子的微生物群落结构
本研究对17种野生稻和26种驯化稻进行细菌和真菌群落分析（图1），对细菌16S rRNA V4和真菌ITS2进行测序，过滤植物DNA及低丰度的分类单元，共鉴定364个细菌和356个真菌分类单元。结果显示细菌大部分属于变形菌门（83.8%），真菌大部分属于子囊菌门（84.9%）。在属水平上，细菌主要包含泛菌属（Pantoea）、甲基杆菌属（Methylobacterium）、短小杆菌属（Curtobacterium）、假单胞菌属（Pseudomonas）、鞘脂单胞菌属（Sphingomonas），真菌主要包含弯孢属（Curvularia）、莫氏黑粉菌属（Moesziomyces）、镰刀菌属（Fusarium）、帚枝霉属（Sacrocladium）、平脐蠕孢属（Bipolaris）。43种水稻的微生物群落均有显著性差异，尤其是野生稻和驯化稻之间的弯孢属和莫氏黑粉菌属。这表明水稻的驯化和品种形成影响种子的微生物群落组成。
2、水稻的品种及驯化影响微生物群落结构
本研究分析了水稻品种对微生物群落结构的影响，其中水稻基因组群类型是重要影响因素。结果表明基因组群间的细菌和真菌群落结构分别有24.2%和20.3%的总方差，主成分分析同样证明水稻不同基因组群的细菌和真菌群落的显著差异（图2 b,e）。此外，细菌群落差异的聚类与水稻的系统发育有显著一致性，而真菌群落则没有。因此，相比真菌群落，细菌群落组成与水稻品种有较强相关性。除基因组群，水稻驯化状态也是影响微生物群落的重要因素。结果表明驯化稻相比野生稻的微生物群落有6.9%（细菌）和13.9%（真菌）的变异率，主成分分析也揭示了野生稻和驯化稻的微生物群落的显著差异（图2 a,d），且真菌群落比细菌群落更容易受水稻驯化的影响。主成分分析表明细菌和真菌群落更多地与水稻驯化有关（图2），而地理位置对细菌群落的影响不显著，而真菌群落有显著变化。
3、水稻驯化下的细菌/真菌群落多样性减少
本研究对比驯化稻和野生稻种子内的微生物群落多样性，结果表明驯化稻的细菌种类高于野生稻，而野生稻的真菌种类高于驯化稻，且驯化稻的细菌和真菌群落丰度的不对等程度高于野生稻。野生稻中群落总丰度的80%包括14.8%（细菌）和14.5%（真菌）的分类单元，而驯化稻中群落总丰度的80%包括10.2%（细菌）和12%（真菌）的分类单元，这表明驯化稻内存在少数细菌/真菌类型占优势的现象。
为发现与驯化相关的具体细菌/真菌类群，通过野生稻和驯化稻的各分类单元的丰度差异比较，共发现263种细菌（224种在野生稻富集，39种在驯化稻富集）和185种真菌（167种在野生稻富集，18种在驯化稻富集），表明这些类群受驯化影响，且表明驯化下水稻的微生物群落多样性丧失。
本研究采用随机森林模型，以分类单元为自变量，野生稻(0)/驯化稻(1)为因变量，观察20种富集细菌在模型内的识别，包括16种变形菌门、3种放线菌门、1种拟杆菌门，除拟杆菌门外，19种细菌为驯化稻富集（图3 a,c），这表明变形菌门和放线菌门细菌与水稻驯化相关。真菌群落中，同样观察20种富集真菌的识别，包括18种子囊菌门和2种担子菌门，结果显示出驯化稻与野生稻的完全不同的真菌群落模式（图3 b,d），这表明驯化过程真菌群落优势种发生更替。
4、水稻种子微生物种类间的共现模式
细菌和真菌群落对驯化反应的差异表明，驯化稻和野生稻内的微生物种类共现模式不同。本研究分别对所有水稻、野生稻、驯化稻构建细菌/真菌共现网络（图4），野生稻包括361个节点和673个边界，驯化稻包括129个节点和159个边界，表明野生稻的微生物之间的关联比驯化稻密切。所有水稻品种构建的共现网络只有82个节点和105个边界，这说明野生稻和驯化稻的微生物群落差异。在驯化稻的共现网络中，只有一个中心枢纽，属于鞘脂单胞菌属，而野生稻的中心枢纽包括一个细菌（泛菌属）和两个真菌（青霉属），这表明驯化稻的关键微生物是细菌，而野生稻的关键微生物是真菌。
5、水稻种子微生物群落的垂直传播
水稻驯化过程中存在保守的微生物群落，分析发现驯化稻内的12种核心细菌包含了7个野生稻中的核心细菌，而真菌群落中仅鉴定了1个保守的分类单元（莫氏黑粉菌属）（图5），因此驯化过程中细菌群落比真菌群落更保守。根据韩国水稻品种起源和杂交历史，将被测品种分为8个育种系，其中Palgoeng品系内细菌群落差异小，orphan品系与其余品系的群落差异最大。
为进一步了解微生物群落的垂直传播，本研究分析对比母系相连品种的微生物群落组成（图6 a）。direct品系的差异最小，其次是vertical和kin品系，orphan品系的差异最大（图6 b-c），母系相关的品种不仅共有核心的微生物类群，而且有特有的分类单元丰度。这表明母系传播是种子微生物群落垂直传播的途径。
讨论
植物宿主与微生物群落间有密切联系，'共生功能体’这一概念认为共生总基因组在自然选择下有独特的进化性，物种形成可直接影响微生物群落的结构，本研究表明种子的细菌群落与植物寄主有显著的共生关系，且水稻基因组群类型影响细菌群落的组成。相反，真菌群落与寄主没有系统共生关系，这表明真菌群落受外界因素影响。先前研究发现地理位置是影响葡萄细菌群落的主要因素，而玉米、水稻、南瓜的细菌群落受植物基因型影响更大，本研究则发现驯化状态对群落的影响大于地理位置的影响。
本研究发现细菌和真菌群落对驯化的响应不同，细菌在水稻驯化后的分类单元数量和丰度均增加，尤其是变形菌门和放线菌门。野生稻中关键的菌种包括包括真菌和细菌，而驯化稻仅有细菌，推测驯化稻基因组可能丢失与真菌共生相关的基因。与野生稻相比，驯化稻的共现微生物较少，这可能与水稻驯化的环境因素相关，因为环境条件的改变是支持驯化作物生理活动的基础，这表明驯化过程中，宿主遗传特性的改变和非生物因素可能是形成微生物群落的重要因素。
本研究发现种子微生物群可随母系遗传，接近一半的细菌与水稻驯化相关，且在母系和子代品种中共有，真菌的遗传程度不显著。其传播机制可能是茎尖分生组织传播，茎尖分生组织可分化为生殖器官，包括种子。
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