原文链接：https://www.nature.com/articles/nature11237

Abstract

Land plants associate with a root microbiota distinct from the complex microbial community present in surrounding soil. The microbiota colonizing the rhizosphere (immediately surrounding the root) and the endophytic compartment (within the root) contribute to plant growth, productivity, carbon sequestration and phytoremediation1,2,3. Colonization of the root occurs despite a sophisticated plant immune system4,5, suggesting finely tuned discrimination of mutualists and commensals from pathogens. Genetic principles governing the derivation of host-specific endophyte communities from soil communities are poorly understood. Here we report the pyrosequencing of the bacterial 16S ribosomal RNA gene of more than 600 Arabidopsis thaliana plants to test the hypotheses that the root rhizosphere and endophytic compartment microbiota of plants grown under controlled conditions in natural soils are sufficiently dependent on the host to remain consistent across different soil types and developmental stages, and sufficiently dependent on host genotype to vary between inbred Arabidopsis accessions. We describe different bacterial communities in two geochemically distinct bulk soils and in rhizosphere and endophytic compartments prepared from roots grown in these soils. The communities in each compartment are strongly influenced by soil type. Endophytic compartments from both soils feature overlapping, low-complexity communities that are markedly enriched in Actinobacteria and specific families from other phyla, notably Proteobacteria. Some bacteria vary quantitatively between plants of different developmental stage and genotype. Our rigorous definition of an endophytic compartment microbiome should facilitate controlled dissection of plant–microbe interactions derived from complex soil communities.

摘要

陆生植物根部的微生物群与周围土壤中存在的复杂微生物群落不同。定植于根际（紧邻根部）和根内（根部内）的微生物群有助于植物生长、生产力、碳封存和植物修复1,2,3。尽管植物免疫系统复杂，但根部仍会定植4,5，这表明互利共生体和共生体与病原体之间存在精细的区分。人们对从土壤群落中衍生的宿主特异性内生菌群落的遗传原理了解甚少。我们在此报告了 600 多种拟南芥植物的细菌 16S 核糖体 RNA 基因的焦磷酸测序，以检验以下假设：在自然土壤受控条件下生长的植物的根际和根内微生物群落充分依赖于宿主，从而在不同土壤类型和发育阶段保持一致，并且充分依赖于宿主基因型，从而在近交拟南芥种质之间发生变化。我们描述了两种地球化学上不同的根周土壤及根际和根内中的不同细菌群落。每个部位中的群落都受到土壤类型的强烈影响。两种土壤的根内群落具有重叠，这些低复杂度群落显著富含放线菌和其他门的特定科，尤其是变形菌。一些细菌在不同发育阶段和基因型的植物之间存在数量差异。我们对根内微生物组的严格定义应该有助于对来自复杂土壤群落的植物-微生物相互作用进行控制解剖。

图 1：样品部位和土壤类型决定根际和根内微生物群落的组成。

a，基于对无阈值、可用 OTU 中 1,000 个读数的稀疏性，对样本之间的成对、标准化、加权 UniFrac 距离进行主坐标分析。CL，克莱顿；MF，梅森农场；R，根际；S，土壤。

b，对来自 24 个土壤、阶段或部位组的 25 × 5 阈值、可测量 OTU 的稀疏计数进行 log2 变换（方法）以制作 24 个代表性样本（分支标签），并使用成对 Bray-Curtis 相似性对这些代表进行层次聚类（组平均链接）。

图 2：区分根内和根际与土壤的 OTU。

A、热图显示了来自抽平 OTU 表（补充数据库 2a；log2 转换）的 OTU 计数，该表来自重复中存在的 256 个根际和 根内 OTU。样本和 OTU 根据其 Bray–Curtis 相似性（组平均链接）聚类。图例将颜色与未转换的读取计数相关联。如图 1 所示，相同颜色的不同色调对应于不同的重复。

B、GLMM 预测（最佳线性无偏预测因子）的强度用条形高度表示。

a、预测为 EC 富集（红色，向上）或 EC 耗尽（蓝色，向下）的 OTU。

b、Mason Farm 土壤中的 EC 高于 Clayton 的 OTU（棕色，向上）或 Clayton 土壤中的 EC 高于 Mason Farm 的 OTU（金色，向下）。a 中不受土壤类型差异影响的 OTU 以较深的色调显示。 

c，预测为根际富集的OTU（如a所示）。

d，在一种土壤类型中根际含量较高的OTU（如b所示）。

C，直方图显示土壤、根际和EC中778个可测量OTU中存在的门的分布，与相对于土壤富集（EC↑）或耗尽（EC↓）的EC OTU子集中存在的门相比。每个条形图上方都给出了香农多样性（将门视为个体）。多样性值上方星号的数量差异表示显著差异（P < 0.05，加权方差分析；补充方法和补充表5）。D，放线菌门OTU中存在的科的分布。E，变形菌门OTU中存在的科的分布。 F，变形菌门三个纲的 OTU 中存在的科的分布：Alphaproteobacteria (α)、Betaproteobacteria (β) 和 Gammaproteobacteria (γ)。EC 中存在、富集或消耗的统计证据见补充表 6。

图 3：显著 OTU 的点图。

抽平表中的每个 OTU 计数（顶部的数字与补充表 3 对应）都经过 log2 转换，每个样本的计数绘制为单独的符号。y 轴标有实际（未转换）计数。a–h，x 轴上的每个位置都标有符号以代表样本组，来自该组的样本绘制在正上方的列中。同一列中的生物重复具有不同的色调。每个重复的中位数都用水平黑条显示；有些是不可见的，因为它们位于 0。i，j，每个 x 轴位置都由拟南芥种质标记；来自该种质的样本绘制在每个标签上方。图中的每个 OTU 都有几个类别的模型预测（补充表 3）。

图 4 CARD-FISH 确认根部有放线菌。

固定一组 Mason Farm yng Col-0 根，并使用 CARD-FISH 染色。DAPI，4',6-二脒基-2-苯基吲哚。使用 EUB338 真细菌探针（绿色）和 NON338 探针（a）（EUB338 的无义阴性对照）或 HGC69a 放线菌探针（b）进行双重 CARD-FISH。插图，框出区域的两倍放大。比例尺，50 μm。