從種子看起：探索馴化如何重塑植物與微生物的共生關係

 

菜豆。圖片來源：維基百科

我們都知道，不論動植物都有「微生物體」（microbiome）：它們與我們一起生活、保護我們、合成維生素給我們，我們也提供它們它們生活需要的養分。

近年來的研究發現，住在一起的人的微生物體會比較像。那麼，跟我們在一起、被我們馴化的植物，它們的微生物體會不會有什麼改變？

為了回答這個問題，研究團隊選擇研究馴化對植物微生物群落的影響，他們想探討植物馴化是否對植物微生物體的組成產生了變化。他們認為這些變化可能獨立於具體的馴化事件，並且可能與馴化過程中選擇的植物特徵有關。這項研究的目的不是找到植物表現型和微生物成員之間的因果關係，而是找到獨立的馴化效應對植物微生物體的影響證據。

研究團隊特別關注鈣和鎂的含量，因為這兩種元素對細菌孢子的形成、細菌膜和細胞壁的完整性以及抗菌性都很重要。此外，這兩種陽離子在種子中的微生物生存中有重要的作用，特別是在調節滲透壓方面。

為了證明馴化如何影響植物微生物群落的組成，研究團隊進行了一系列實驗。他們針對在哥倫比亞國際農業研究中心 （CGIAR-CIAT）戶外種植的菜豆（Phaseolus vulgaris）的不同亞群體進行了種子微生物群落的採樣和分析。研究共分析了70種不同基因型植物的種子微生物群落。

研究結果顯示，獨立的馴化事件導致了在不同地理位置獨立馴化的植物群落中類似的種子細菌群落特徵，這些特徵部分可以用選擇共同馴化植物表現型來解釋。此外，這些發現為了解植物馴化對植物微生物群落的影響提供了途徑，並可能應用於農業微生物應用中，以改善植物健康和生產力。

研究團隊發現，在菜豆與皇帝豆（P. lunatus）中進行的多個獨立馴化事件中，植物馴化對種子微生物群落組成和豐度有一致的影響。

種子細菌群落的變化與在馴化過程中選擇的植物特徵有關，如鈣（Ca）和鎂（Mg）濃度的變化。

他們發現，馴化過程引入的微生物群落特徵主要包括屬於變形菌門（Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）和擬桿菌門（Bacteroidota）的成員。

馴化導致的細菌群落組成和豐度的變化在功能層面上有所反映，表現在細菌代謝途徑的相對豐度變化上。

研究團隊進一步採用了多種統計模型和分類方法來分析數據。他們發現，根據AIC標準，最佳模型是那些考慮了鈣濃度變化的模型，這超過了考慮生物狀態（野生或馴化）的模型。研究顯示，植物馴化顯著降低了種子中的鈣濃度，這減少了植物的表現型變異性。此外，大多數變形菌門的菌種對鈣濃度的增加有負面影響。高斯共軛模型也證實，鈣濃度的變化比生物狀態更能解釋微生物群落成員間的共生模式。

所以研究團隊得到結論：馴化對種子微生物群落的影響是一致的，並且這種影響與馴化選擇的特定植物特徵有關，而不僅僅是馴化事件本身。

透過這項研究，研究團隊希望能更好地預測並嘗試改變馴化植物微生物群落的組成，以改善植物健康和生產力。他們專注於種子這一植物器官，因為種子直接受到了重要農業特徵的選擇影響。然而，他們也指出種子只是被馴化改變的一個部分，未來的研究需要全面評估植物馴化效應是否取決於植物部分，以及種子細菌群落的變化是主要與種子表現型相關，還是也與其他部分的表現型變化相關，這些部分是微生物通過其傳播到種子 。

參考文獻：

Soldan et al., Consistent effects of independent domestication events on the plant microbiota, Current Biology (2024), https://doi.org/10.1016/j.cub.2023.12.056