网络作图研究拟南芥根系及叶片微生物组的互作遗传机制

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植物微生物组赋予了植物宿主健康优势,包括增强养分吸收、促进植物生长、提高耐受逆境和抵抗病原体的能力等。植物基因可以通过“干扰”微生物互作影响微生物群落平衡,影响植物健康。如何系统科学研究植物微生物组互作的遗传机制,仍然是一个难题。本研究利用互作行为网络模型,定量描述植物微生物间互利共生、拮抗、侵略和利他四种互作关系,构建相应的共现网络,识别植物微生物群落中的中心节点微生物;利用网络作图将微生物共现网络的6种网络特征值分别与植物的基因型进行关联分析,在显著性SNPs基础上利用贝叶斯网络构建SNP-SNP互作网络,挖掘影响微生物互作的枢纽基因。主要内容和结果如下:(1)本研究分析了179株拟南芥根系微生物和四种生境下198株拟南芥叶片微生物16S和ITS r DNA扩增子测序的结果,在OTU水平分别构建了描述微生物互作行为的四种共现网络。(2)微生物共现网络分析包括微生物跨界互作分析和中心节点微生物筛选,属于Leotiomycetes、Dothideomycetes和Sordariomycetes的真菌与Actinobacteria、Alphaproteobacteria和Betaproteobacteria的细菌在维持拟南芥微生物群落中真菌和细菌的互作平衡发挥重要作用。在根系和叶片微生物共现网络中分别筛选到59和160种中心节点微生物,这些微生物中细菌变形菌门和真菌子囊菌门的微生物占比较高,可能会增强植物营养吸收等。(3)在拟南芥根系和叶片微生物共现网络与基因型关联分析中,分别定位到1142和2638个显著性SNPs位点,构建SNP-SNP互作网络分别定位到91和313个影响拟南芥根系和叶片微生物互作的枢纽基因,这些基因包括参与拟南芥抵御病原菌入侵的PEPR2和PXMT1、参与拟南芥热胁迫应答的Hrd1A等、编码抗病蛋白的RPS4、参与拟南芥磷酸饥饿应答的PHR1以及参与植物免疫应答的PRK1和CRK10等基因,参与拟南芥抵御生物以及非生物胁迫应答,与拟南芥的生长息息相关。本研究利用网络作图探索了拟南芥微生物组互作遗传机制,定位获得了一些影响拟南芥微生物互作的枢纽基因,为植物-微生物组互作机制研究奠定了理论基础。
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