摘要：
为了探究驱动植物根部微生物多样性和植物适应性影响因素，作者用三年时间在欧洲17个地方监测拟南芥种群和其共生草的根系微生物菌群。观察到不同地点的土壤微生物有显著的结构变化，而不同地点植物根内微生物没有这种显著变化。同时作者做了瑞典和意大利两地品种的的交互移植实验，解除位置这个影响因素来检测植物根部微生物的影响和植物的适应性。研究结果表明：在很大的空间范围内，对于植物适应性和根部丝状真菌群落多样性的影响来说，气候是比土壤状况更重要的因素。而土壤属性是驱动植物根细菌种群分化的主要因素。
结果：
1. Continental-scale survey of the A. thaliana root microbiota. （拟南芥种群根微生物的大陆范围采样）
2015年到2017年每年拟南芥开花阶段，作者沿着纬度梯度取样。其中，在瑞典有四个采样点，在德国有六个采样点，在法国有三个采样点，在意大利有一个采样点，在西班牙有三个采样点，一共17个采样点（图1a）。分别收集拟南芥和其共生草的土壤（soil）、根际（RS）、根面（RP）和根内（root）部位的样品。作者先对细菌的2-V4、V5-V7区域进行16S扩增子测序，对真菌的ITS1、ITS2区进行测序，对卵菌ITS1区进行测序，鉴于观察到的引物偏差，最终选择细菌的V5-V7区和真菌（包括卵菌）的ITS1区序列经行后续分析。序列被聚类成OUTs，在扩增子序列变异体（ASV）分辨率上验证了结论的可靠性。

2. Convergence in root microbiota composition across A. thaliana populations. （拟南芥物种根微生物组成趋同）
首先假设所有地方的植物根会和微生物菌群建立一种稳定的联系，作者预测在根内微生物组成上存在一种很强的宿主过滤效应。检查所有地方三年来样品的α多样性指数，观察到从土壤到根内部，细菌、真菌和卵菌的α多样性指数均呈现逐渐下降的趋势,并且细菌比丝状真核生物的α多样性指数的下降程度更大（图b，黑条表示α多样性）。同时还观察到，在细菌的聚类图中，根内和根面的样品通过采样部位聚在一起，说明不同地方拟南芥的根内根面的细菌菌群组成相似；根际和土壤样品通过采集点聚集在一起，说明同一地方土壤中的细菌菌群和根际的细菌菌群组成相似。相反，在真菌和卵菌的聚类图中没有这种看到明显的聚类。根内细菌和真菌的组成在不同采样点之间的相似度高于特定采样点上不同区室之间的相似度，显示拟南芥根部微生物在大陆范围上的结构趋同性。通过Bray-Curtis距离的变异多变量方差分析（PERMANOVA）证实了这种观察结果，这表明位点因素比采样部位更能解释真菌和卵菌群落组成的变化。（图b）

与周围的土壤样品相比，植物根部的微生物群落相对丰富度显着增加，这些分类群属于细菌Betaproteobacteria和Gammaproteobacteria，真菌Leotiomycetes和Dothideomycetes以及卵菌级腐霉。基于分类单元RA的富集测试和基于Bray-Curtis距离的主坐标分析（PCoA）显示瑞典土壤与其他欧洲土壤之间的土壤细菌群落存在明显差异（图d），根样本和土壤样本的细菌菌群受地方因素影响减少。且跟样本中细菌菌群的OYUs显著高于土壤样本的，所有的BETA多样性矩阵重要的是，以上基于OTU光泽报告的所有beta多样性指标在ASV分辨率下均保持稳定。

结论：根环境驱动欧洲各地的细菌菌群组成趋同。
3. Root endosphere bacteria and A. thaliana exhibit stable associations（根内细菌和拟南芥种群存在稳定联系）
首先作者将在80%以上地方都存在的微生物OTUs定义为地理广泛存在的OTUs，20%~80%定义为普遍存在的OTUs，小于20%的定义为受限制的OTUs.作者假设地理广泛的分类群在根部定殖有助于根部微生物组成趋同.作者观察到，细菌在不同地点的覆盖率与根部相关丰富度呈正相关|根部细菌在不同地点的覆盖率和它们在根内样品中的相对丰度间呈正相关，相反，根部真菌和卵菌没有这种关系（图2a）。地理广泛分布的细菌OTUs，与土壤样本相比，明显在根面和跟样本中更丰富（图b）。作者定义了13种的根内地理广泛分布的细菌OTUs（图c），他们占总组分的38%（图d）。
这13种OTUs中，有9种在根样本中显著富集。同时作者还定义了根系丝状真核生物的14个地理广泛分布的OTUs，与细菌相比，这些OTUS并没有特别在根部富集，只有5种可以在三年中都检测到。结果表明：少数在地理上广泛分布的细菌定植于拟南芥的根部，从而在大陆范围内推动了细菌群落组成的趋同。
4. Conservation of geographically widespread OTUs in the roots of grass species. (共生草根部微生物地理广泛分布otus的趋同)
作者假设拟南芥种根植的菌群可能也在其共生草中定植。作者采集了各地拟南芥的共生草（三年17个地点共收集了16种草种），并比较了拟南芥根部和草根部之间的微生物群落组成（图a）。拟南芥和共生草中，一些微生物菌群组成分化受到限制。（图b）。拟南芥和共生草的微生物OUTs对比，反映了根部OTUs覆盖率存在整体一致性。（图c）.。共生草根部的细菌OTUs具有高保守性，真菌OTUs则没有。这些细菌的OTUs在|对生长在完全不同土壤类型中的百脉根（豆科植物）的丰度检查证实了细菌OTUs的普遍存在性但这种普遍性不适用于真菌OTUs 。
说明了：少数地理分布广泛的细菌可以随着时间推移，高效的根植植物根部并建立稳定联系。
5. Spatial and temporal variation in root microbiota differentiation
尽管差异不明显，但作者还是观察到了跟微生物的组成随时间和地点发生变化（3a）。其中，位置是解释根系微生物菌群变化的主要因素。（图b）作者进一步分析得到，土壤PH值是欧洲拟南芥种群分布变化的主要原因（图c）。
结果说明:环境条件的地点变化对根相关微生物群落的影响远比时间变化大。
         6. 土壤、气候和基因型对两个拟南芥种群根部微生物群落分化影响

    作者对瑞典和意大利两个拟南芥种群进行移植（图4a）。在交互移植中，对土壤来源或位置差异作出反应的根部微生物OTUs的分析表明，在代表不同土壤×位置×基因型组合的根样品中，地理上广泛分布的细菌OTUs具有稳定的分布趋同性。整个根样品中微生物类群的丰度分布受到土壤来源、位置及其相互作用的影响，不同微生物类群之间存在显著差异。 （图b）。瑞典意大利本土的拟南芥在本地生长很好，而意大利拟南芥在瑞典没有一株存活，说明位点对本地物种有强选择优势（图c）。

文章链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31900452/

数据链接：https://github.com/ththi/European-Root-Suppl

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