다년생 작물의 필로스피어 미생물군집의 계절적 활동

Jan 02, 2024

Nature Communications 14권, 기사 번호: 1039(2023) 이 기사 인용

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식물과 미생물 사이의 상호 작용을 이해하면 미생물군집 관리에 정보를 제공하여 작물 생산성과 스트레스에 대한 회복력을 향상시킬 수 있습니다. 여기서 우리는 현장에서 자란 스위치그래스와 억새의 복제된 플롯에서 생태학적으로 중요한 잎 미생물군유전체 구성원을 식별하고 스위치그래스의 두 성장 계절에 대한 활동을 정량화하기 위해 게놈 중심 접근 방식을 적용합니다. 우리는 메타게놈 및 메타전사체 시퀀싱을 사용하고 40개의 중간 및 고품질 메타게놈 조립 게놈(MAG)을 선별합니다. 우리는 이러한 MAG(Actinomycetia, Alpha- 및 Gamma- Proteobacteria 및 Bacteroidota)로 대표되는 클래스가 늦은 계절에 활성화되고 단쇄 탈수소효소, 몰리브도프테린 산화환원효소 및 폴리케타이드 시클라제에 대한 전사체를 상향 조절한다는 것을 발견했습니다. 스트레스 관련 경로는 대부분의 MAG에 대해 표현되어 호스트 환경과의 참여를 제안합니다. 우리는 또한 테르펜에 대한 계절적으로 활성화되는 생합성 경로와 주석이 잘 지정되지 않은 다양한 비리보솜 펩타이드 경로를 감지합니다. 우리의 연구 결과는 잎과 관련된 박테리아 개체군이 계절에 따라 역동적이고 숙주 신호에 반응한다는 것을 뒷받침합니다.

다년생 식물은 바이오 연료의 지속 가능한 개발을 위한 중요한 목표입니다1,2,3. 다년생 작물은 바이오 연료 및 바이오 제품으로 전환될 수 있는 높은 바이오매스를 생산하는 것 외에도 온실 가스 완화 및 토양 영양 순환 촉진을 포함하여 기후 변화를 중재하려는 노력을 지원하는 광범위한 생태계 서비스를 제공합니다1,4,5,6. 모든 식물과 마찬가지로 다년생 식물은 다양한 미생물군을 보유하고 있으며 이러한 미생물 중 상당수는 숙주에게 도움이 될 것으로 알려져 있거나 기대됩니다. 예를 들어, 식물 관련 미생물은 생산성을 높이고 환경 스트레스 요인으로부터 보호할 수 있습니다. 많은 식물 관련 미생물군집 구성원이 숙주와 긴밀하게 연관되어 있기 때문에 식물 미생물군집 관리는 작물 활력을 촉진하고 지구 기후 변화에 대한 작물 탄력성을 지원하기 위해 제안된 하나의 도구입니다7,8,9,10. 따라서 선택적 육종 및 데이터 기반 현장 관리와 함께 식물 미생물군집을 조절하는 것이 바이오연료 공급원료의 지속 가능한 생산을 위한 전략이 될 것으로 예상됩니다.

식물은 각각 독특한 미생물 집단이 서식하는 해부학적 구획을 가지고 있습니다. 일반적으로 식물 미생물군집의 다양성과 구성은 외부 구획에서 내부 구획으로 좁아지며, 식물은 미생물군집 구성을 내부로 필터링하는 데 적극적인 역할을 합니다11,12,13. 외부 식물 구획에는 뿌리 영역, 땅 아래의 근권 및 근평면, 땅 위의 착생 필로스피어가 포함됩니다. 외부 구획은 일시적 또는 공생 미생물 분류군이 상대적으로 더 많이 나타나며, 이러한 구획은 즉각적인 환경에서 미생물과 관여하고 모집합니다. 내부 구획에는 지상 및 지하 조직의 내층권이 포함되며, 이들은 상대적으로 풍부함이 낮고 가장 선택된 미생물군을 보유하고 있습니다. 이러한 구획 중에서 근권은 영양분과 물 획득에 중요한 미생물-식물 상호 작용의 중요한 장소로 가장 많은 관심을 받아 왔습니다(예: Kuzyakov 및 Razavi17). 그러나 필로스피어에 서식하는 미생물군의 구성원은 병원체 배제 및 면역 프라이밍과 같은 중요한 식물 기능도 제공합니다. 필로스피어(Phyllosphere) 미생물은 노출된 생활 방식에 특화된 적응을 갖고 있으며16,20,21,22 기후 변화와 관련된 변형을 포함하여 전 세계 탄소 및 기타 생지화학적 순환에 기여하고23,24,25 가장 큰 지상 표면적에 서식합니다26. 다년생 바이오연료 공급원료는 잎 표면적을 최대화하기 위해 선택되는 경우가 많기 때문에 필로스피어 미생물군집을 이해하면 식물이 생산성과 스트레스 회복력을 지원하는 데 도움이 되는 미생물 참여에 대한 통찰력을 제공할 것으로 예상됩니다.

50% complete, suggests that biosynthesis of isoprene-related molecules may be a prominent leaf strategy by phyllosphere bacteria. Pseudomonas MAG S28, noted previously to be the dominant population that colonized and activated early in the season (Figs. 4 and S2), had high isoprene biosynthesis transcript enrichment early in the season that then declined. However, the other eleven MAGs harboring genes from isoprene biosynthesis pathways then had increased activity in the late season./p>97% complete, <2% contamination) was a prominent pioneer and active colonizer of the leaf (Figs. 4, S2 Group 1). MAG S28 is related to Pseudomonas cerasi, a species reported to have phytopathogen relatives73, but we did not note any disease symptoms on the leaves analyzed. This population had expected traits of a strong surface colonizer, including colonization, adaptation, and motility subsystems. It also had six pathways related to phytohormone responses (out of 7 total phytohormone pathways observed in these data), including activated ethene biosynthesis, ACC deaminase, and degradation of ethylene glycol, putrescine, salicylate, and IAA. These data suggest that S28 has several mechanisms to engage or respond to the host via phytohormones./p>95% and <5%, respectively), M60 was sparsely annotated by the methods we applied. However, Quadrisphaera taxa have been reported to be highly abundant in the phyllosphere or endosphere of various plants77./p>