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写在前面：现代遗传学认为自然选择可定义为随机变化的生存指示码的非随机存活。这里的指示码指的是DNA，他们的组合是随机的，然而他们的存活是基于自然环境变异下的确定性过程。本文在种子微生物群落中证实了这一观点，作者认为：evolutionary processes stochastically affect overall composition of microbial communities, whereas dramatic changes in environments during domestication contribute to assembly of microbiotas in deterministic ways in rice seed。进化过程随机的影响整体微生物群落组成，而驯化过程中环境的急剧变化会导致水稻种子微生物确定性的装配过程。

题目：Domestication of Oryza species eco-evolutionarily shapes bacterial and fungal

communities in rice seed

稻种的驯化在生态进化上塑造水稻种子的细菌与真菌群落

期刊：Microbiome

2019IF：11.6

通讯作者：Yong-Hwan Lee

摘要

背景：宿主与环境因素共同塑造了他们的微生物组，这些微生物通过提供营养和减弱生物与非生物胁迫来支持宿主。已知与植物生长与免疫的宿主基因塑造了微生物群落，但宿主进化对微生物群落的影响理解不够。

结果：我们证明了宿主成种与驯化塑造了种子细菌与真菌群落。水稻基因组类型与群落共同导致了微生物组成的变异并表现为显著的系统共生关系。细菌与真菌丰度在驯化中表现为不一致的增加。然而，细菌群落组成相对保守而真菌群落变化较大。随机森林分析进一步证明了这一点。随着这些变化，界内网络的hub类群在驯化中从真菌向细菌转变。另外发现微生物的母体遗传是微生物跨代传播的主要途径。

结论：我们的发现表明进化过程随机的影响整体微生物群落组成，而驯化过程中环境的急剧变化会导致水稻种子微生物确定性的装配过程。该研究提供了宿主进化与微生物群的新见解，是研究植物宿主、微生物群与环境的新起点。

背景

进化在动植物微生物中广泛存在，在作物中人们为了获得期待的植物性状存在的特殊的进化称之为驯化。物种表型由遗传组成与相关微生物群落共同驱动，这些相关的微生物群落与宿主生理、生长与健康相互影响。前面的研究表明植物相关的微生物群落装配受宿主与环境影响并且相关细菌群落主要由宿主进化与驯化驱动，而真菌的了解很少。

另外有限时间尺度上的研究对于理解进化十分有限。与植物其他相关的微生物群落相比，种子微生物群落由于其自身的种皮包被而不容易受外部的影响，进而有利于从母系遗传给子代。因此种子是很好研究选择下微生物群进化故事的模型。

实验设计

试验材料收集17份野生与26份驯化水稻种子，提取DNA备用。

1.   根据NCBI叶绿体基因组序列构建了系统进化树。

2.   细菌16S rRNA基因、真菌ITS测序进行后续分析。

3.   分析：洛伦兹曲线计算基尼指数看微生物群落丰度情况，CAP约束主坐标分析（基因组类型、驯化阶段与育种谱系），Mantel 检验水稻遗传距离与微生物组成差异的相关性，鉴定野生与驯化的核心类群，随机森林模型鉴别野生与驯化相关的微生物群落，火山图看差异OTU，Tax4Fun2预测细菌群落功能，FUNGuild预测真菌生态组。

Random forest, Support vector machine (SVM支持向量机) , Naïve Bayes（朴素贝叶斯） , k-nearest neighbors与logistic regression五种机器学习方法看那种最好，随机森林方法更合适，鉴定出野生与驯化中前20的OTU。SparCC构建野生、驯化与野生驯化混合的共发生网络，基于层次聚类的数据对于母系遗传程度进行分析。

有趣的分析：洛伦兹曲线，二八原则。

主要结果

1. 水稻种子微生物群的分类结构和模式

图1. 样本系统发生树和地理分布。根据从NCBI获得的叶绿体全序列，构建了水稻基因型的进化树。将O. sativa品种单独添加到树中。该地图显示了野生和驯化的稻属植物在世界范围内的不同分布。

补充图3，4水稻细菌真菌在门、纲、目水平上的组成。

43种水稻的微生物群落均有显著性差异，这表明水稻的驯化和品种形成影响种子的微生物群落组成。

2.稻属的成种解释了种子微生物群的变化

图2：种子细菌和真菌群落主坐标的约束分析。受a/d驯化状态、b/e基因组类型和c/f育种谱系限制的细菌/真菌群落的变异。

由于水稻基因组AA组过多，因此选择了17个野生稻和两个栽培稻Nipponbare and Tongil)。在这个亚组中，水稻基因组组解释了总方差的24.2%(细菌)和20.3%(真菌)。与这些结果一致，CAP分析揭示了细菌和真菌群落的水稻基因组组之间的显著分离(图2b，e)。这种排序表明基因组对细菌和真菌群落的影响存在显著差异。

图s13：稻的种系发生树和（a）细菌、（b）真菌菌群的Bray-Curtis距离层次聚类的树状图。

就系统发育而言，如果宿主遗传因素的影响超过其他形成因素的影响，那么水稻系统发育的拓扑和微生物群落的谱系图将是相似的。Robinson-Folds显示细菌群落的谱系图与稻属植物的系统发育有显著的一致性。而真菌群落没有。Mantel检验也证实了这些结果。细菌群落比真菌群落与水稻物种形成的相关性更大。

3.种子微生物群落的结构是通过驯化形成的

种子微生物群落的无约束主坐标排序（PCoA）

图s15：基于Bray-Curtis距离的43个水稻种质的细菌和真菌群落的树状图。

分析发现地理位置细菌相关性不显著，真菌存在相关但相关性很低。所以说驯化主要塑造种子微生物组结构。

4.驯化增加了较少细菌和真菌OTU的优势

图s16：驯化对α多样性和群落结构的影响，可以通过OTU的累积丰度和百分比来衡量。c图说明了种子微生物组中的帕累托规则（二八原则，帕累托法则又称80/20法则、二八定律、帕累托定律、最省力法则、不平衡原则），并将野生稻与它们的驯化对应物进行了比较。

洛伦兹曲线：Lorenz curve图b，e，也译为“劳伦兹曲线”。就是，在一个总体（国家、地区）内，以“最贫穷的人口计算起一直到最富有人口”的人口百分比对应各个人口百分比的收入百分比的点组成的曲线。为了研究国民收入在国民之间的分配问题，美国统计学家（或说奥地利统计学家）M.O.洛伦兹（Max Otto Lorenz，1876- 1959）1907年（或说1905年）提出了著名的洛伦兹曲线。

二八原则：在任何一组东西中，最重要的只占其中一小部分，约20%，其余80%尽管是多数，却是次要的，因此又称二八定律。

5.随机森林模型识别驯化的细菌和真菌OTUs

图3：通过差异丰度测试和随机森林分类揭示了水稻驯化过程中造成差异的otu。

前20名细菌OTU由变形菌(16个OTUs)、放线菌(3个OTUs)和拟杆菌(1个OTUs)组成。在丰度分布上表现出显著差异的细菌OTU中，除一个OTU(拟杆菌门；金黄杆菌属)(图3c)。这一结果表明属于变形菌和放线菌的OTUs的富集与水稻驯化有关。在真菌群落中，前20个判别OTU由子囊菌门(18 OTUs)和担子菌门(2 OTUs)组成(图3d)。根据驯化状态，显著差异分布的OTUs表现出相反的富集模式。这些结果表明，优势属的转换可能是真菌群落对驯化的主要反应。

6.   野生与驯化种子微生物的共发生模式

图4: 水稻种子内微生物群的微生物网络。在所有野生/驯化水稻a、野生水稻b和驯化水稻c中检测到基于共发生的种子微生物OTUs网络。每个节点对应一个OTU，节点之间的边对应正(浅蓝色)或负(粉色)相关，使用SparCC方法从OTU丰度剖面推断。属于不同微生物界的OTUs有不同的颜色(细菌，橙色；真菌，紫色)和节点大小反映了它们在种子内层的介数中心性。b，d，f条形图显示了种子内网络中正(浅蓝色)或负(粉色)相关的界间和界内边缘的比例。b、细菌界内部；f、真菌界内部；bf细菌-真菌界相关。g、野生(左图)和驯化稻种(右图)的Hub OTUs。

野生稻共发生网络由361个节点和673条边组成，而驯化稻共发生网络由129个节点和159条边组成。网络输入数据中OTU总数与网络节点总数之间的差异表明野生稻中otu之间的关联比驯化水稻中的更紧密。另一方面，在全网络中，节点数和边数分别减少到82个和105个。这表明野生稻和驯化稻之间的组成差距，导致OTUs之间的相关系数较低。野生稻和驯化稻的微生物群落之间的这种差异也在网络中心性指数中得到确认。

通过比较野生稻和驯化水稻的微生物网络的中心，很明显驯化水稻的微生物网络的中心是细菌，而野生稻微生物网络内的关联大多集中在真菌中心。此外，细菌和真菌节点之间的网络中心性指数也表明真菌在野生稻种子的微生物网络中比在驯化的种子中更重要。

7.种子微生物群垂直传播的证据

图5：核心细菌和真菌OTUs的venn图和丰度剖面热图。43种基因型的细菌和真菌群落的核心OTUs。分别计算驯化水稻组和野生稻组的核心OTU。在水稻材料中，核心OTUs的阈值为95%(细菌)和80%(真菌)。热图显示了水稻中OTUs的相对丰度。

在驯化过程中，细菌生物群似乎比真菌生物群更保守，变化更少。

图6：品种种子微生物群的垂直遗传分析。比较四个组:直接，垂直，近亲繁殖系，和 orphan品种。所有的育种联系都是基于母系关系。两个品种组通过直接母-子连接(Milyang 95-Dongjinchal and Hwayeong-Sobi)进行连接。两组有共同的祖先-后代连接作为兄弟姐妹的繁殖世代(Palgoeng–Shinseonchal and Palgoeng–Tamjin)。近亲繁殖系中的每对品种都有共同的母系祖先(Shinseonchal Tamjin、Daean-Koshihikari和Tongil-Kinuhikari)。在本研究中，未发现orphan驯化栽培品种与其他栽培品种(Pungok, Jodongji, Joshinryeok, Akibare, Nakdong and Iljin)有关联。

母系相连的选定品种的微生物群组成(图6a)。相异度在直接育种系中最低，其次是垂直和亲缘育种系。孤儿组在所有组比较中显示出最高的差异(图6b)。真菌分类群显示出与细菌相似的模式(图6c)。当在OTU水平上分析时，两个品种共享几乎所有品种在直接、垂直和亲缘育种系中共享的总OTU的一半。这些发现表明，每个母系联系不仅共享核心OTU，而且共享特定联系的OTU。这强烈表明母体传播将是水稻种子中微生物群垂直传播的主要途径。

结论

我们用43份野生和驯化的水稻材料评估了宿主物种形成和驯化作为长期和短期进化因素对种子微生物群的影响。实验上，极大地提高了种子细菌群落的分辨率，这是以前的方法没有做到的。特别是对真菌群落的平行研究揭示了种子微生物群对宿主进化的隐藏反应以及与细菌群落的复杂的界间联系。总之，稻中的物种形成决定了细菌群落。然而，宿主成种随机地塑造了细菌和真菌群落。另一方面，驯化通过宿主和环境因素的显著变化，以更确定的方式促进了群落的装配。我们的研究还提供了关于种子微生物群的综合进化见解，种子微生物群是植物、微生物群落和周围环境的holobiome的起点。

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