植物微生物通常被称为植物的第二套基因组，利用微生物来辅助育种也越来越常见。尽管鉴定了很多植物有益微生物，但是宿主基因型对于微生物的组装还很有限。近年来，也越来越多的作物开始探索基因型对于微生物的影响。今天我们分享一篇关于茶树的文章，发表在PBJ上。
======摘要=======
在植物相关的外界环境中，不同的宿主因子导致了微生物的差异，但是基因型背后的机制还大多数是未知的。为了探索这个问题，作者结合了植物遗传学和微生物的相关分析。基于100个茶树品种，根际、根内和叶际的微生物组表现出明显的生态位差异；群体差异对于每个生态位的影响较小。通过微生物全基因组关联分析，作者探索了遗传变异和微生物之间的相互作用。值得注意的是，一些与细胞壁和碳降解相关的基因和根内生物微生物显著相关。而一些与金属离子和小分子代谢相关的基因则和根际微生物密切相关。此外，一些遗传变异，包括formin蛋白，和叶际微生物的β-多样性密切相关，意味着他们与微生物群落的整体结构存在相互作用。研究结果构建了一个茶树遗传因子和微生物相互作用的数据集，揭示了宿主基因型驱动的生态位微生物组特异组装。
======结果=======
结果一：植物相关环境中生态位特异的微生物组装
收集了1000个茶树的周围土、根际土、根内生和叶际样品进行16S测序。从主成分分析结果来看，四个生态位能明显区分开来（图1a）。叶际微生物的β-多样性与其它三个生态位明显不同（图1b）。微生物的α多样性（Shannon指数）从周围土、根际土、根内生和叶际逐渐降低（图1c）。
门水平的微生物组成在不同的生态位之间也存在显著的差异（图1d-1g）。与其它生态位相比，叶际的拟杆菌门相对丰度最高，酸杆菌和放线菌水平最低。变形菌属和放线菌属在根内生中占主导地位，占相对丰度的93.6%（图 1e）。根际微生物中厚壁菌门的丰度显著高于其他生态位。周围土微生物群落中酸杆菌丰度最高（15.3%）。
结果二：植物相关环境中微生物属的富集
为了进一步揭示不同生态位微生物群落的组成，作者比较了不同生态位属水平微生物群落的富集情况。与根内生和根际微生物相比，属于拟杆菌门的17个属的叶圈微生物组富集（图 2a），其中Capnocytophaga（相对丰度 = 4.32%）和Chrysobacterium（6.94%）是最丰富的（图 2b）。此外，变形菌门的鞘氨醇单胞菌（22.56%）是最丰富的叶层富集类群（图 2b）。根内生微生物大多数属属于放线菌门和变形菌门（图 2a），其中变形菌门的假单胞菌属（15.02%）表现出最大的相对丰度（图 2b、c）。此外，与其它生态位相比，根际微生物群富集了厚壁菌门的最多属（图 2a），其中以芽孢杆菌属（图 2b、c最多）。
结果三：茶树亚群体分化对微生物组的小效应
作者接下来探索茶树的遗传变异是否会对于不同的生态位产生影响。通过对100个茶树品种的重测序获得了13M高质量的SNP。根据分析，可以分成3个亚群（图3a）。PCA结果也可以显著分开3个亚群（图3b）。48个POP1（n = 61）起源于中国浙江省和福建省（表 S1），表明地理起源有助于它们的基因相似性。相比之下，POP2（n = 28）起源于不同的地区，包括中国的江西、湖南和四川省（表 S1）。有趣的是，POP3（n = 11） 多数是以“福鼎大白茶”和从“福鼎大白茶”与“云南大叶茶”杂交而来的品种，表明它们在茶叶育种过程中的遗传相关性（表 S1）。3个亚群比较可以看出，在叶际、根内生、根际微生物β多样性没有显著差异（图 3c），表明茶亚群分化对微生物组的影响很小。
结果四：微生物组成的全基因组关联分析
接下来，作者通过mWGAS研究了遗传变异对于微生物丰度的影响。去掉一些低丰度的OTU后，获得了954个根际OTU、596个根内生OTU和403个叶际OTU。结果，作者鉴定到了39个OTU与41个基因中的44个非同义外显子SNP相关。这些基因的GO注释结果显示，主要富集为“膜的固有成分”、“膜的整体成分”等。CSS00044082基因（β-胡萝卜素羟化酶2基因）与根内生微生物OTU956相关（图4a）。CSS00040599基因（P450）中的SNP 与根际微生物OTU4877相关（图4b）。CSS0043600基因（C2H2）中的SNP Chr4_146209412与叶际微生物OTU2029相关（图4c）。相关SNPs的基因型对根内生Otu956和根际Otu4877的相对丰度没有影响（图 4d、e）。相反，具有SNP Chr4_146209412杂合子的茶品种（100个品种中的29个）和其他品种相比，叶际Otu2029的相对丰度更高（图 4f）。此外，Otu956和Otu4877仅存在于与根内生和根际相关的环境中（图 4g、h）。相比之下，Otu2029仅存在于叶际微生物中（图 4i）。
结果五：由植物遗传学驱动的不同生态位特异性微生物组组装
接下来，作者探索了微生物组成和遗传变异之间的关联。除了exon的SNP，作者还包含了基因间区（>21.1kb）和内含子SNP。微生物分类和候选基因的GO如图5a所示。根内生和根际微生物OTU相关联的GO有很大的重叠。这三个区室共有25个GO，包括细胞囊泡运输、植物对非生物/生物胁迫的反应和信号机制等（图 5a）。
不同的生态位展现出了不一样的富集结果。和根内生OTU相关的GO中，细胞壁代谢（果胶和半乳糖醛酸）和碳分解代谢（多糖、羧酸和有机酸）是最富集的（图 5b）。与根际微生物OTU相关的GO中，与金属离子代谢（转运和稳态）和小有机分子（低聚糖、二糖和一元羧酸）显著富集（图 5c）。相比之下，只有一个“对刺激的反应”的GO与叶层微生物OTU显著相关。
结果六：微生物β多样性的全基因组关联分析
在前面作者发现多个微生物OTU都和遗传变异显著相关，因此作者尝试探索茶树遗传变异对于微生物整体结构的影响。因此，对根内生、根际和叶际微生物组的前五个主成分（PCOs）进行了mGWAS分析，它们分别占微生物变异的83.9%、50.5%和47.3%（图 S5）。叶际微生物中，73个SNPs通过了参数P < 3.81 × 10−9，由1个非同义外显子、2个同义外显基因、2个下游、1个上游、59个基因间和8个内含子SNP组成（图 S6）。这些SNPs的遗传差异与叶际微生物差异显著相关（图 6a）。相反，根际微生物β-多样性没有受到显著影响，只有一个非编码的Chr12_18479397基因间变体与根际微生物PCO2有显著相关性（图 S6）。除了一个与PCO2相关的变异外，叶际微生物PCO1与茶遗传变异的关联最为显著（图 6b）。变异SNP中唯一的非同义外显子变异株Chr4_28730171（P = 2.55 × 10−9）位于4号染色体上的CSS0046992基因内（图 6b），其被注释为formin同源相互作用蛋白1（FIP1）。值得注意的是，Chr4_28730171的基因型在叶际微生物群落的差异显著（ 图 6c）。
作者研究结果强调了植物遗传学与微生物组的相互作用是一个复杂的全基因组网络。研究中发现的相互作用需要进一步探讨，将来为微生物在茶树中的育种服务。
