原文链接：Host-mediated microbiome engineering (HMME) of drought tolerance in the wheat rhizosphere - PMC (nih.gov)

Host-mediated microbiome engineering (HMME) is a strategy that utilizes the host phenotype to indirectly select microbiomes though cyclic differentiation and propagation. In this experiment, the host phenotype of delayed onset of seedling water deficit stress symptoms was used to infer beneficial microbiome-host interactions over multiple generations. By utilizing a host-centric selection approach, microbiota are selected at a community level, therein using artificial selection to alter microbiomes through both ecological and evolutionary processes. After six rounds of artificial selection using host-mediated microbiome engineering (HMME), a microbial community was selected that mediated a 5-day delay in the onset of drought symptoms in wheat seedlings. Seedlings grown in potting medium inoculated with the engineered rhizosphere from the 6th round of HMME produced significantly more biomass and root system length, dry weight, and surface area than plants grown in medium similarly mixed with autoclaved inoculum (negative control). The effect on plant water stress tolerance conferred by the inoculum was transferable at subsequent 10-fold and 100-fold dilutions in fresh non-autoclaved medium but was lost at 1000-fold dilution and was completely abolished by autoclaving, indicating the plant phenotype is mediated by microbial population dynamics. The results from 16S rRNA amplicon sequencing of the rhizosphere microbiomes at rounds 0, 3, and 6 revealed taxonomic increases in proteobacteria at the phylum level and betaproteobacteria at the class level. There were significant decreases in alpha diversity in round 6, divergence in speciation with beta diversity between round 0 and 6, and changes in overall community composition. This study demonstrates the potential of using the host as a selective marker to engineer microbiomes that mediate changes in the rhizosphere environment that improve plant adaptation to drought stress.

摘要

宿主介导的微生物组工程（HMME）是一种利用宿主表型通过循环分化和繁殖间接选择微生物组的策略。在本实验中，利用幼苗缺水胁迫症状延迟出现这一宿主表型来推断多代微生物组与宿主之间的有益相互作用。通过利用以宿主为中心的选择方法，在群落水平上选择微生物群，从而利用人工选择通过生态和进化过程改变微生物群。利用宿主介导的微生物组工程（HMME）进行六轮人工选择后，筛选出的微生物群落能介导小麦幼苗的干旱症状延迟5天出现。在接种了第六轮 HMME 工程根瘤菌群的盆栽培养基中生长的幼苗，其生物量、根系长度、干重和表面积都明显高于在同样混合了高压灭菌的培养基（阴性对照）中生长的植株。接种物对植物水胁迫耐受性的影响在随后稀释 10 倍和 100 倍的新鲜非高压灭菌培养基中仍可转移，但在稀释 1000 倍时消失，并在高压灭菌后完全消失，这表明植物表型是由微生物种群动态介导的。第 0、3 和 6 轮根际微生物组的 16S rRNA 扩增子测序结果显示，在门水平，变形菌增加，在纲水平，β变形菌增加。在第 6 轮中，α 多样性明显降低，在第 0 轮和第 6 轮之间，物种分化与 beta 多样性存在差异，总体群落组成也发生了变化。这项研究证明了利用宿主作为选择性标记来设计微生物群落的潜力，这些微生物群落能介导根圈环境的变化，从而改善植物对干旱胁迫的适应性。

图1 宿主介导微生物组工程（HMME）的概念。1) 接种初始微生物组。2) 在浇水充足的条件下播种。3) 然后通过停止浇水使幼苗面临干旱胁迫。4）当 90% 的植株出现水分胁迫症状（枯萎、叶片卷曲等）时，选出 5 株表现最好的植株。它们的根际（根系和种植介质）与经过高压灭菌的 Metro-Mix 900 按 1:10 的比例混合。然后将种子播种到经过改造的种植介质中，进行下一轮筛选。

图2 宿主介导的微生物组工程（HMME）多轮筛选对幼苗耐旱性的影响。无水天数是指 90% 的幼苗出现严重水分胁迫症状的天数。

图3 宿主介导的微生物组工程（HMME）对干旱胁迫下幼苗表型的影响。小麦幼苗在种植培养基中生长，培养基中含有经过高压灭菌（左）或未经高压灭菌（右）的根际接种体，这些接种体来自经过 10 天禁水的最后一轮 HMME 挑选。

图4 宿主介导微生物组工程（HMME）对植物耐水胁迫效应的可转移性。稀释 HMME 第 6 轮的根际接种物表明，在第 10 天时，1x10-1（HMME）和 1x10-2 稀释度在调解干旱胁迫症状方面没有失去效力，但在 1x10-3 稀释度时失去了效力，表现出与没有 HMME 接种物的处理（对照）相似的表型。

表1 方差分析（ANOVA），用于测试宿主介导的微生物组工程（HMME）对干旱胁迫下植物表型的影响。

表2  使用非高压灭菌（HMME）或高压灭菌 HMME 接种物（对照）种植的植物根系特征比较。

图5 宿主介导微生物组工程（HMME）对失水影响的可转移性。根据每 48 小时花盆重量相对于起始花盆重量的差异计算失水百分比。处理包括接种 HMME 第 6 轮根际接种体稀释系列：1x10-1（HMME）、1x10-2、1x10-3 或不接种 HMME 接种体（对照）的育苗盆。图中显示了标准误差条，并标出了显著差异。

图6 分类分析。堆叠条形图显示了各分类群在门水平（上）和纲水平（下）的相对丰度。这一比较表明，在第 0、第 3 和第 6 轮宿主介导微生物组工程（HMME）的比较中，群落根际中的变形菌和β变形菌的分类量有所增加。分类群参照 99% OTU Greengenes 13-8 数据库，丰度截止值为 1%。

表3  比较宿主介导微生物组工程（HMME）第 0、3 和 6 轮的门类水平方差分析（ANOVA）。

表4  比较第 0、3 和 6 轮宿主介导微生物组工程（HMME）的纲水平方差分析（ANOVA）。

表5  使用 PERMANOVA 伪 F 关联分析对宿主介导微生物组工程（HMME）第 0、3 和 6 轮进行比较分析（排列 = 999）。

图7 β多样性。在比较布雷-柯蒂斯差异指数（A）和加权 UNIFRAC PCoA 图（B）时，连续几代与从第 0 轮（红色）提取的原始群落的分歧或差异越来越大，第 3 轮（蓝色）介于宿主介导微生物组工程（HMME）的第 0 轮和第 6 轮（橙色）之间。