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木薯(Manihot esculenta)属于大戟科木薯属,是一种多年生淀粉类块根作物[1],具有粗生易长、易栽培和高产等优良特性[2]。是热带及亚热带地区的三大粮食作物之一,同时也是重要的经济及能源作物[3]。
植物内生菌是指定殖于植物组织、器官内部的微生物,寄生过程中宿主植物不表现出明显的症状,并且通过表面彻底消毒后能从植物组织中分离出来,或者可以扩增到微生物核DNA证实其存在的微生物群体[4-5]。植物内生菌在目前已知的高等植物中均有一定分布,具有种类多、数量大等特点。近些年来,通过不断研究,从植物体中分离筛选得到多种内生细菌,并加以鉴定[6-7]。研究者们对植物内生细菌的多样性,种群动态等方面进行了统计研究,并且深入探讨了内生菌与植物体间的相互作用[8-9],同时在研究过程中提出了新的分类单元[10]。内生细菌在各种植物中都是普遍存在的,Lin等[11]利用高通量测序鉴定茶树不同组织微生物群落,证实茶树不同组织内生细菌分布不同。在西藏沙棘(Hippophae tibetama)中,张爱梅等[12]发现5种不同组织内生细菌具有丰富的多样性,但各组织内生细菌群落结构和优势种群有所不同,且不同组织也能够定殖具有多种功能的内生细菌。Liu等[13]对多个柑橘品种进行内生细菌多样性研究,结果表明,不同品种、不同组织等方面存在差异,内生菌群落数量和结构也有很大的差异。王雁南等[14]以葡萄为试验材料对不同部位中的内生细菌进行分离并分析,结果发现,其叶片、果肉等组织中的内生菌数量有一定差别。目前,对木薯内生菌的研究较少,为进一步探究木薯不同组织和品种内生菌种类和多样性差异,采用16S rDNA扩增子高通量测序技术分析了木薯块根、茎和叶等3种组织内生细菌群落分布特征及结构差异,旨在为挖掘有益内生菌资源提供理论支持。
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对木薯不同组织嫩叶、老叶、茎(韧皮部)、茎(木质部)和块根内生细菌产生的原始序列质控后获得V4区有效序列,‘SC8’品种中分别获得28 573、31 299、51 274、46 502和275 590条,‘SC9’品种中分别为28 017、147 902、92 973、50 319和275 229条(表1)。在97%的序列相似性水平上,‘SC8’有效序列产生的OTUs分别是2 894、3 183、3 525、5 559和3 926;‘SC9’分别是2 573、3 658、4 169、5 753和3 995。不同品种各组织内生细菌进行多样性分析结果表明,各组织内生细菌多样性指数存在差异。Chao1指数反映内生细菌群落丰富度,‘SC8’和‘SC9’各样品分别为4381.175~7219.625、3538.192~7544.341,其中,‘SC8’的茎(木质部)的内生细菌群落相较于其他样品表现出显著差异,且丰富度最高;‘SC9’各样品间的内生细菌多样性均表现出显著差异,具体表现为茎(木质部)>茎(韧皮部)>老叶>块根>嫩叶;香农指数反映内生细菌群落丰富度和均匀度,其中,‘SC8’茎(木质部)样品中的内生细菌多样性和其他组织相比明显较高。‘SC9’各样品间的内生细菌丰富度表现为茎(韧皮部)>茎(木质部)>嫩叶>老叶>块根(表1)。可见,木薯植物体样品中均含有丰富的内生细菌种类,且在茎(韧皮部)中的多样性最高,说明木薯内生细菌群落结构与木薯生态位存在着密切关系。
品种 样品 有效序
列数OTUs数 香农
指数Chao1
指数覆盖
率/%‘SC8’ NL 28573 2894 7.475 4381.175 95.64 OL 31299 3183 7.851 4562.337 95.76 OS-BZ 51274 3525 8.543 4535.233 97.66 OS-WL 46502 5559 10.273 7219.625 95.98 RT 275590 3926 4.493 4675.875 99.62 ‘SC9’ NL 28017 2573 7.032 3538.192 96.30 OL 147902 3658 6.666 4916.133 99.11 OS-BZ 92973 4169 7.678 5619.683 98.40 OS-WL 50319 5753 9.995 7544.341 95.99 RT 275229 3995 4.362 4818.306 99.60 -
木薯‘SC8’品种不同组织中共检测到48个门,126个纲,281个目,438个科,805个属;‘SC9’品种中存在46个门,130个纲,290个目,390个科,863个属。总体来说,木薯各组织中的内生菌多样性在各分类水平上表现出一定差异,相比于‘SC8’,‘SC9’在各分类水平上丰富度更高。在门水平上,‘SC8’嫩叶、老叶和茎(韧皮部)中的细菌群落丰富度均高于‘SC9’,表现出更高的多样性,而在属水平下,‘SC9’各组织内生细菌群落多样性均高于‘SC8’(表2)。
品种 样品 门 纲 目 科 属 ‘SC8’ NL 44 105 188 274 308 OL 38 99 178 234 328 OS-BZ 41 101 185 247 408 OS-WL 38 100 194 273 455 RT 40 106 200 280 482 ‘SC9’ NL 33 94 172 238 372 OL 37 105 181 254 414 OS-BZ 38 95 184 263 449 OS-WL 40 108 193 290 511 RT 37 98 192 267 488 -
在门水平上,对于丰度高于1%的菌群进行统计,从图1可知,木薯各组织样本内生细菌群落具有相似组成结构,但各菌门所占丰度表现出一定差异。10个组织样品中的优势菌门(可归类,且至少1个组织中的OTU丰度 ≥ 10%)共分布有6个,其平均占比分别为变形菌门41.12%、蓝细菌门12.96%、放线菌门9.33%、拟杆菌门8.06%、厚壁菌门5.95%和酸杆菌门5.36%。‘SC8’嫩叶中的优势菌门为变形菌门和蓝细菌门,分别占比35.64%和24.45%;老叶中的优势菌门包括变形菌门和放线菌门,分别占比56.76%和10.36%;茎(韧皮部)为变形菌门、拟杆菌门和放线菌门,分别占比40.64%、16.16%和14.76%;茎(木质部)为变形菌门、拟杆菌门和厚壁菌门,分别占比35.43%、11.48%和10.53%;块根中为蓝细菌门和变形菌门,分别占比45.29%和43.07%。‘SC9’嫩叶中存在变形菌门、蓝细菌门和厚壁菌门3个优势菌门,分别占比35.68%、25.92%和17.12%;老叶有变形菌门和拟杆菌门2个优势菌门,相对丰度分别为68.41%和10.93%;茎(韧皮部)为变形菌门和放线菌门,相对丰度分别为48.66%和26.75%。茎(木质部)为变形菌门、放线菌门和拟杆菌门,相对丰度分别为34.58%、17.11%和12.80%;块根中的优势菌门为蓝细菌门和变形菌门,分别占比48.68%和40.07%。不同样品中优势细菌门差异很大,其中,变形菌门在所有样品中均为优势菌门,丰度为25.70%~68.41%。
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为了进一步研究木薯内生细菌群落结构组成的影响,分析了不同样品下的各内生细菌在属水平上的相对丰度(图2),以各样本中丰度占比前30名且相对丰度 > 1%的菌属作为优势菌属,‘SC8’嫩叶样本中优势菌属包括甲基杆菌属(Methylobacterium)11.77% 等3个菌属。老叶样本中包括甲基杆菌属22.16%、鞘氨醇单胞菌(Sphingomonas)9.05%、假单胞菌属(Pseudomonas)7.24%等7个菌属。茎(韧皮部)样本中包括甲基杆菌属10.67%、鞘氨醇单胞菌8.76%等10个菌属。茎(木质部)样本中包括甲基杆菌属6.88%、鞘氨醇单胞菌5.68% 等7个菌属。在‘SC9’中,嫩叶样本中包括甲基杆菌属10.26%、鞘氨醇单胞菌6.50%等4个菌属。老叶样本中包括甲基杆菌属25.03%、鞘氨醇单胞菌属12.07%、Pelagibacterium 7.55% 等8个菌属。茎(韧皮部)样本中包括甲基杆菌属15.38%、放线孢菌属(Actinomycetospora)6.85%、鞘氨醇单胞菌属6.48%等12个菌属。茎(木质部)样本中包括甲基杆菌属8.72%等10个菌属。甲基杆菌属为各组织样品中的优势菌属,平均丰度为13.86%。‘SC8’和‘SC9’均为茎(韧皮部)的内生细菌多样性最为丰富,嫩叶中最少。木薯组织间中共有171个共有菌属,占内生细菌所有种类的78.44%,其中,‘SC9’特有菌群118个,‘SC8’为100个(图3)。
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主坐标分析表明(图4),主分析1(PCoA1)和主分析2(PCoA2)的样品差异性贡献率分别达到51.82%和12.94%,合计为64.76%,是差异的主要来源。木薯不同组织内生细菌群落多样性差异较大,但‘SC9’和‘SC8’相同组织差异不明显,其中,嫩叶分布在第一象限,老叶分布在第二象限,茎(木质部)分布在第三象限,块根分布在第四象限。
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为进一步探究不同品种木薯内生细菌的差异,对供试样品进行了LEfSe(line discriminant analysis effect size)分析,设定LDA(line discriminant analysis) > 4为阈值,在‘SC8’品种中,茎(韧皮部)、老叶、嫩叶、块根得到差异显著单元分别为8、6、4、2个;‘SC9’品种中,茎(韧皮部)、老叶、嫩叶、块根内生细菌分别具有16、15、6、3个差异显著单元,2个品种的块根差异显著单元均表现为最少(图5)。在‘SC8’品种中,茎(韧皮部)内生细菌的8个差异单元,6个分布于拟杆菌门,1个分布于变形菌门,1个分布于广古菌门;老叶内生细菌的6个差异单元,4个分布于变形菌门,2个分布于放线菌门;嫩叶内生细菌的4个差异单元,3个分布于厚壁菌门,1个分布于拟杆菌门;块根内生细菌的2个差异单元均为变形菌门。‘SC9’品种中,茎(韧皮部)内生细菌的16个差异显著单元13个分布于放线菌门,3个分布于变形菌门。老叶内生细菌的差异单元有15个,13个分布于变形菌门,2个分布于拟杆菌门;嫩叶中6个差异单元均属于厚壁菌门;块根中内生细菌的3个差异单元均属于蓝细菌门。由此表明,木薯不同组织部位内生细菌的菌群存在显著差异,以茎(木质部)样品中的内生细菌最为丰富,且‘SC9’比‘SC8’内生细菌丰富。
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通过KEGG数据库系统分析基因组注释和功能信息,发现木薯体内多种相关通路都受到内生细菌的调节,包括各种代谢通路、基因信息过程以及细胞过程等6个相关通路(表3),在‘SC8’中,各个组织在不同的相关通路中都表现出显著差异,块根参与各种功能活动的菌群丰度最高,嫩叶最低;‘SC9’各样品间表现出相同的差异性。其中,代谢相关物种所占比例最高,说明参与植物代谢是内生菌的主要功能;包含参与次级代谢产物(类黄酮、异类黄酮等),各种萜类物质以及各种氨基酸合成通路,辅酶因子、维生素以及氨基酸代谢通路和光合作用相关通路,参与调节植物的生长,间接或直接影响植物抗病能力。
品种 类别 嫩叶 老叶 茎(韧皮部) 茎(木质部) 块根 ‘SC8’ 细胞通路 57977 93919 140865 112350 310925 环境信息通路 28094 38493 62180 50147 185638 基因信息通路 156128 179853 313539 275477 1159299 人类疾病通路 2837 7859 12214 8773 27061 代谢通路 1053534 1332532 2260713 1924263 7461881 组织系统通路 4363 4927 15907 7065 42706 未分类 353 384 1034 1190 966 ‘SC9’ 细胞通路 64431 492072 279730 125438 315452 环境信息通路 29597 208048 127368 56210 191782 基因信息通路 158244 861680 596688 306544 1214512 人类疾病通路 5714 44552 29586 11415 25974 代谢通路 1074318 6784692 4650585 2241144 7807924 组织系统通路 4302 23102 14476 7717 45118 未分类 571 3726 1001 790 1035
Diversity of entophytic bacteria in different tissues of cassava
doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.20230077
- Received Date: 2023-05-25
- Accepted Date: 2023-06-06
- Rev Recd Date: 2023-05-30
- Available Online: 2023-06-15
- Publish Date: 2024-03-20
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Key words:
- cassava /
- tissues /
- endophytic bacteria /
- diversity
Abstract: In order to study the diversity of endophytic bacteria in cassava (Manihot esculenta) and explore the endophytic bacteria resources, 16S rDNA sequencing technology was used to analyze the Alpha and Beta diversity of tuber, stem and leaf tissues in ‘SC8’ and ‘SC9’ cassava varieties. The structural composition of bacterial community was analyzed and the gene function of endophytic bacteria community was predicted by comparing with Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) database. The results showed that 19,087 bacterial OTUs (operational taxonomic unit) were clustered from ‘SC8’ cassava samples, and belonged to 48 phyla, 126 classes, 438 families and 805 genera, and 20,148 bacterial OTUs belonged to 46 phyla, 130 classes, 390 families and 863 genera in ‘SC9’. There were 171 common bacteria genera in all tissues of cassava, accounting for 78.44% of all endophytic bacteria species. There were 118 unique bacteria in ‘SC9’ and 100 in ‘SC8’, and endophytic bacteria in stem (phloem) had the highest diversity. The dominant bacterial groups of endophytic bacteria from cassava are Proteobacteria, Cyanobacteria, Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes and Acidobacteria. Biosynthesis of terpenoids, ketones, amino acids, vitamins and other secondary metabolites is involved in the function of cassava endophytic bacteria. These results showed that there were abundant endophytic bacteria in all cassava plant samples, and the diversity was highest in stem (phloem). Cassava contains a variety of active ingredients, and the metabolism-related pathways of these active ingredients are also reflected in the function prediction.
Citation: | FENG Yating, ZHANG Yijie, LIN Nanfang, CHEN Yinhua, LUO Kai. Diversity of entophytic bacteria in different tissues of cassava[J]. Journal of Tropical Biology, 2024, 15(2): 141-149. doi: 10.15886/j.cnki.rdswxb.20230077 |