原文链接：https://www.nature.com/articles/nature11336

Abstract

The plant root defines the interface between a multicellular eukaryote and soil, one of the richest microbial ecosystems on Earth1. Notably, soil bacteria are able to multiply inside roots as benign endophytes and modulate plant growth and development2, with implications ranging from enhanced crop productivity3 to phytoremediation4. Endophytic colonization represents an apparent paradox of plant innate immunity because plant cells can detect an array of microbe-associated molecular patterns (also known as MAMPs) to initiate immune responses to terminate microbial multiplication5. Several studies attempted to describe the structure of bacterial root endophytes6; however, different sampling protocols and low-resolution profiling methods make it difficult to infer general principles. Here we describe methodology to characterize and compare soil- and root-inhabiting bacterial communities, which reveals not only a function for metabolically active plant cells but also for inert cell-wall features in the selection of soil bacteria for host colonization. We show that the roots of Arabidopsis thaliana, grown in different natural soils under controlled environmental conditions, are preferentially colonized by Proteobacteria, Bacteroidetes and Actinobacteria, and each bacterial phylum is represented by a dominating class or family. Soil type defines the composition of root-inhabiting bacterial communities and host genotype determines their ribotype profiles to a limited extent. The identification of soil-type-specific members within the root-inhabiting assemblies supports our conclusion that these represent soil-derived root endophytes. Surprisingly, plant cell-wall features of other tested plant species seem to provide a sufficient cue for the assembly of approximately 40% of the Arabidopsis bacterial root-inhabiting microbiota, with a bias for Betaproteobacteria. Thus, this root sub-community may not be Arabidopsis-specific but saprophytic bacteria that would naturally be found on any plant root or plant debris in the tested soils. By contrast, colonization of Arabidopsis roots by members of the Actinobacteria depends on other cues from metabolically active host cells.

摘要

植物根部定义了多细胞真核生物与土壤之间的界面，土壤是地球上最丰富的微生物生态系统之一1。值得注意的是，土壤细菌能够作为良性内生菌在根部内繁殖并调节植物的生长和发育2，其影响范围从提高作物生产力3到植物修复4。内生菌定植代表了植物先天免疫的一个明显悖论，因为植物细胞可以检测一系列与微生物相关的分子模式（也称为 MAMP），以启动免疫反应来终止微生物的繁殖5。几项研究试图描述细菌根内生菌的结构6；然而，不同的采样方案和低分辨率分析方法使得推断一般原则变得困难。在这里，我们描述了表征和比较土壤和根系细菌群落的方法，这不仅揭示了代谢活跃的植物细胞的功能，还揭示了惰性细胞壁特征在选择土壤细菌进行宿主定植中的作用。我们发现，在受控环境条件下生长在不同天然土壤中的拟南芥根部，变形菌门、拟杆菌门和放线菌门优先定殖，每个细菌门都有一个占主导地位的类或科。土壤类型决定了根系细菌群落的组成，宿主基因型在有限的范围内决定了它们的核糖体型谱。在根系细菌组合中识别出土壤类型特异性成员支持了我们的结论，即这些成员代表了土壤衍生的根系内生菌。令人惊讶的是，其他测试植物物种的植物细胞壁特征似乎为大约 40% 的拟南芥细菌根系微生物群落的组装提供了足够的线索，并且偏向于 Betaproteobacteria。因此，这个根亚群落可能不是拟南芥特有的，而是腐生细菌，在测试土壤中的任何植物根部或植物碎片上都会自然发现。相比之下，放线菌对拟南芥根部的定植依赖于来自代谢活跃的宿主细胞的其他线索。

图 1：高分类等级的分类单元定义了根相关细菌群落的构成要素。

a，在所示区域内检测到的 Chloroflexi 门的平均相对丰度 (‰±s.e.m.)。

b，在所示土壤类型的根区中检测到的优势门 (>5‰) 的平均相对丰度 (‰±s.e.m.)。

c，根区中属于三个优势门的科的平均相对丰度 (‰±s.e.m.)。在 b 和 c 中，平均相对丰度是在删除分配给 Chloroflexi 的读数后计算的。星号表示与土壤和根际区相比，根区中显著富集 (Benjamini-Hochberg 错误发现率 (FDR) 调整后的 P 值 < 0.05)。

图 2：拟南芥组成了一个独特的根系细菌微生物群。

a–g，在科隆土壤样本（a–d）中确定的 OTU 的区室特异性和相对丰度（> 5‰），并与 Golm 土壤（e–g）进行比较。

a，所有 OTU 的三元图。每个圆圈代表一个 OTU。每个圆圈的大小代表其相对丰度（加权平均值）。每个圆圈的位置由所示区室对总相对丰度的贡献决定。图内的虚线网格和数字表示每个区室贡献的 20% 增量（参见补充方法）。深蓝色圆圈标记在根区室中显著富集的 OTU（FDR < 0.05）。

b，类似于 a 的三元图，包括木材区室。在根部显著富集的 OTU（深蓝色，rOTU）、在木材中富集的群落成员（橙色，wOTU）以及由根部和木材区室共享的 OTU（浅蓝色，lOTU）（FDR < 0.05）。

c，根部和木材中富集的 OTU 相对丰度的热图。垂直列代表样本，水平行代表 OTU。样本的聚类（顶部）基于 OTU 共现。左侧的颜色代码表示 b 中定义的 OTU 区室特异性。

d，rOTU、lOTU 和 wOTU 亚群落的分类组成。图表中每个部分的大小与分配给指示分类单元的 OTU 的累积相对丰度成正比。

e，指示土壤中的 lOTU 和 rOTU 的数量（FDR < 0.05）。

f，Actinocorallia sp. 的 OTU 相对丰度。在所示隔间中（平均值±s.e.m.）。星号表示根区室相对于所有其他所示隔间显著富集（FDR < 0.05）。

g，所示拟南芥生态型根区室中 OTU Actinocorallia sp. 的差异相对丰度（平均值±s.e.m.）。星号表示差异显著（FDR < 0.05）。

图 3：拟南芥根栖细菌可在根面检测到。

a–e，细菌状结构的扫描电子显微照片。条，1 µm。f–j，通过共聚焦激光扫描显微镜对根表面（红色，根自发荧光）上的细菌（绿色，AlexaFluor488）进行 CARD-FISH 检测。f，用探针 EUB338 检测到大多数真细菌。g，用 EUB338 的反向互补探针（NONEUB）进行阴性对照。h，用探针 BET42a 检测到 Betaproteobacteria。i，用探针 CF319a 检测到 Bacteroidetes。j，用探针 HGC69a 检测到放线菌。条，20 µm。

图 4：自然生长的拟南芥植物保留了土传细菌的根选择性。

a、从自然（黑色）和受控温室环境（彩色）中采集的样本的 Bray–Curtis 差异。OTU 计数被稀疏到每个样本 1,000 个计数，相对丰度 > 5‰ 的 OTU 被纳入分析。

b、在科隆或戈尔姆土壤和自然生长的拟南芥植物的受控环境条件下发现的根相关亚群落之间共享 OTU 的百分比（基于图 2e 中显示的数字进行比较）。

c、在温室实验中确定的 lOTU（浅蓝色）和 rOTU（深蓝色）的指示区室中 OTU 的相对丰度和比例贡献（> 5‰）的三元图。d、Actinocorallia sp. 的 OTU 相对丰度。 (平均值±s.e.m.；n.d.，未检测到) 在所示区域内。星号表示根系与根际之间存在显著差异 (FDR < 0.05)。

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