常见的种子传播方式有哪些 亲本植物到幼苗的生长和传播

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文|香中别有韵

编辑|香中别有韵

微生物群落可以通过与植物根系形成共生关系，影响植物的生长和发育，并在植物繁殖和传播过程中发挥重要作用，本文研究的目的是探究单种子微生物群对亲本植物到幼苗的生长和传播过程的影响，并揭示其可能的作用机制。

研究表明，单种子微生物群的定植显著影响了亲本植物的生长和发育，与对照组相比，与单种子微生物群共培养的亲本植物表现出更快的生长速度和更高的生物量积累。

由于DNA起始材料含量较弱，具有低微生物生物量的样品的测序受到低信噪比的影响，为了在单个种子水平上捕获细菌多样性，采用了基于培养物富集的实验策略。

首先比较了从豆类和萝卜种子样品中回收细菌细胞的两种方法，使用这两种方法获得的DNA样品的扩增子测序显示细菌系统发育多样性没有显着差异，细菌细胞回收法对细菌家族的丰度没有显著调节，我们选择了种子浸泡，因为与种子研磨相比，这种方法在悬浮液中释放的抗菌化合物更少。

然后将种子浸泡悬浮液散布在用于分离植物相关细菌的九种培养基上，胰蛋白酶大豆琼脂1/10强度允许获得最大多样性的种子细菌分离株，并因此被选中。

检查在TSA10上富集培养之前和之后获得的细菌群落图谱，TSA10富集前后估计的细菌系统发育多样性对于萝卜种子样品没有显著差异，相比之下，在TSA0富集后，豆籽样品的系统发育多样性显著降低，与立克次体科相关的扩增子序列变异在培养富集后被显著低估，其他细菌家族没有受到富集过程的显着影响。

总体而言，这些结果强调，绝大多数种子传播的细菌分类群通过对TSA10进行的基于培养物的富集被有效捕获，在研究的其余部分，我们在DNA提取和测序之前系统地在TSA10上对单种子样品进行了培养富集。

豆类和萝卜的种子在种子填充和成熟过程中无菌收集，这两个阶段通过测量种子含水量来确定，平均而言，每阶段在43%至84%的豆类种子和30%至82%的萝卜种子中检测到细菌菌落形成单位，两种植物的种子含菌百分比的变化与采样阶段以及单个植物之间的差异有关。

每个种子检测到的细菌类群很少，在豆类和萝卜种子上观察到的中位数丰富度分别为8和416SrRNA基因ASV，关于使用gyrB获得的数据，在豆类和萝卜种子中观察到9和3ASV的中位数，在两种植物的种子发育过程中，细菌丰富度显着增加。

无论使用的分子标记如何，在每个采样阶段，观察到种子之间的丰富度差异很大，丰富度的变化伴随着分类组成的高度变化，种子细菌群落间系统发育组成的变化显著由豆类种子发育阶段和萝卜，系统发育组成变异也显著与豆类植物个体间变异相关和萝卜。

通过对大气、花和茎的额外采样，估计了种子相关细菌类群的传播途径，在每次采样时间，两种植物物种在大气、花和茎中未检测到的种子分类群的百分比均高于80%，与采样的其他生境相比，其余的种子类群大多在大气中检测到。

等级-丰度曲线表明，每个豆类和萝卜种子在每个发育阶段都有一个分类单元的优势，这些优势类群与77SrRNA基因和75.4%与gyrB，优势类群分布在超过15个细菌目中，代表94个16SrRNA基因ASV和286辆gyrBASV，这种高分类变异性表明，基于培养物的富集策略没有系统地选择某些细菌分类群。

系统发育多样性和分类组成表明优势类群在种子灌浆和豆种子成熟过程中的演替，事实上，在豆类种子发育过程中，每株优势类群的系统发育多样性显著增加，在豆种子发育过程中观察到细菌分类组成的明显变化，观察到与肠杆菌相关的优势分类群的发生率减少，对于萝卜，在采样阶段未观察到系统发育多样性或分类组成的变化。

由于优势种子相关分类群与一个植物个体特异性相关，在植物水平上聚合每个种子中观察到的ASV的比例，以形成物种比例分布，我们将结果分布与适应的中性模型预测的观察到的物种比例进行了比较。

物种比例分布被认为是一阶近似值，用于通过比率I评估局部过程的分散的相对重要性，根据该比例，分散性不如豆种子中的局部过程重要和萝卜种子，比较豆类种子发育阶段之间的比率表明，随着时间的推移，分散和局部种子过程的相对重要性没有变化，与萝卜种子相比，I在D0和D012之间显着增加。

根据物种比例分布，对于与种子相关的细菌群落的组装而言，局部过程比扩散更重要，为了估计选择和生态漂移在种子微生物群零模型的局部组状中的相对重要性，计算了更具体的、基于丰度的β零偏差测量值。

对于从具有16SrRNA基因和gyrB的豆种子获得的数据，β最近的分类单元指数值与零期望值，小于?2的βNTI值被认为与零期望值显著不同，所有βNTI值都低于该阈值，表明在植物水平上聚集的豆种子群落的系统发育组成比偶然预期的更相似，并且这种相似性可能由选择驱动。

关于萝卜种子相关的细菌群落，βNTI值在前两个采样阶段与2SrRNA基因和gyrB分布在-16左右，然后在最终成熟种子阶段小于-2，与豆种子群落相比，至少在种子发育早期阶段，选择对萝卜种子群落的组装影响似乎较小。

通过定量过程估计框架，在种子微生物群组装过程中估计了其他生态过程的相对重要性，基于该框架，似乎在萝卜种子微生物群，在萝卜种子成熟后期，选择成为群落组装的主要过程。

接下来，我们表征了哪些种子传播的细菌类群被传播到幼苗，使用无损采样程序在无土壤条件下分析种子微生物群在出苗过程中的动态，这使得可以在单个幼苗的水平上监测这些动态，我们仅分析了回收CFU的种子和幼苗的样品;排除了未发芽的种子或没有可检测CFU的种子。

使用43SrRNA基因，使用gyrB将豆类和萝卜的比例分别降低到11%和5.6%，更令人惊讶的是，大约30%的幼苗相关ASV未在种子中检测到，在我们的无菌实验系统中没有CFU检测，强烈表明这些与幼苗相关的ASV起源于种子。

接下来，我们研究了种子传播ASV的相对丰度是否是幼苗传播的预测因子，正如在实验2中已经观察到的那样，两种植物物种的每个种子都与一种优势ASV相关联，根据等级丰度曲线，一种优势ASV也与单个豆类和萝卜幼苗，优势种子相关ASV在相应的幼苗中并不经常成为显性。

事实上，根据11SrRNA基因和gyrB，只有57个和52个在萝卜幼苗上占主导地位，对于豆类来说，这个值甚至更低，有4个16SrRNA基因ASV和1个gyrBASV在两个栖息地中占主导地位，总体而言，这些结果表明，种子传播类群的初始丰度并不能预测其传播到幼苗，特别是在豆类中。

由于种子被可变身份的优势分类群定植，我们研究了这些优势ASV的身份是否会影响幼苗的出现，幼苗根据形态分为正常或异常，采用该分类方案，除了22株正常和22株异常萝卜幼苗外，还获得了40株正常和10株异常豆苗，从种子观察到的初始细菌种群大小和丰富度值不是幼苗表型的良好预测因子，在豆类种子中研究了种子传播ASV相对丰度的变化。

但没有研究萝卜种子中的变化，因为很少有种子产生异常幼苗，这不允许平衡分布，总体而言，616SrRNA基因ASV和8gyrBAS><V的RA在产生异常幼苗，这4SrRNA基因中的16个和gyrBASV的分类隶属关系在属水平上是一致的，另一方面，3个16SrRNA基因和7个gyrBASV的RA在产生正常幼苗的种子中显著富集。

为了通过实验验证这种表型，我们根据其gyrB序列从内部细菌收集中选择了具有代表性的细菌菌株，并将这些菌株接种在豆子种子上，我们选择了代表ASV的菌株在产生异常幼苗的种子中显着富集，在产生正常幼苗的种子中显着富集，以及未显着富集，我们验证了所采用的种子表面消毒程序不会影响幼苗表型。

作为对照，ASV474的种子接种没有诱导幼苗表型的任何差异，相比之下，与表面灭菌种子相比，接种两种代表性的ASV1细菌菌株导致异常幼苗显着增加，主要与腐烂症状有关，接种ASV85和ASV90增加了正常幼苗的数量，我们确认了基于ASV的RA的预期幼苗表型。

研究结果表明，与单种子微生物群共处的亲本植物产生的幼苗数量明显多于对照组，而且，这些幼苗在生长初期就表现出较高的生长速率和生物量积累，表明单种子微生物群有助于提高植物幼苗的生长和适应性。

昂德·戈雷莫尔，《种子微生物组多样性、传播和组装的生态模式》

阿塞德·雷尔，《绿叶楸菌种子微生物组的遗传力和功能重要性》

拉沙德·扎萨尔，《小麦种子内生菌对根际共生的优先影响》

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