Метагеномика и машинное обучение

ISME Communications, том 3, номер статьи: 14 (2023 г.) Цитировать эту статью

3080 Доступов

1 Цитаты

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Выведение сортов риса с низким содержанием кадмия (Cd) стало многообещающим направлением обеспечения безопасности пищевых продуктов на сельскохозяйственных угодьях, загрязненных кадмием. Было показано, что микробиомы, связанные с корнями риса, ускоряют рост риса и уменьшают стресс Cd. Однако механизмы микробной таксон-специфической устойчивости к кадмию, лежащие в основе различных характеристик накопления кадмия между разными сортами риса, остаются в значительной степени неизвестными. В этом исследовании сравнивали сорт XS14 с низким содержанием Cd и гибридный сорт риса YY17 по накоплению Cd при пяти внесениях в почву удобрений. Результаты показали, что XS14 характеризовался более изменчивыми структурами сообщества и стабильными сетями совместного встречаемости в континууме почва-корни по сравнению с YY17. Более сильные стохастические процессы в формировании ризосферного сообщества XS14 (~25%), чем у YY17 (~12%), позволяют предположить, что XS14 может обладать более высокой устойчивостью к изменениям свойств почвы. Сети совместного возникновения микробов и модели машинного обучения совместно определили ключевой индикатор микробиоты, такой как Desulfobacteria в XS14 и Nitrospiraceae в YY17. Между тем, гены, участвующие в круговороте серы и круговороте азота, были обнаружены среди корневого микробиома этих двух сортов соответственно. Микробиомы в ризосфере и корне XS14 показали более высокое разнообразие в функционировании со значительным обогащением функциональных генов, связанных с транспортом и метаболизмом аминокислот и углеводов, а также круговоротом серы. Наши результаты выявили различия и сходства в микробных сообществах, связанных с двумя сортами риса, а также бактериальные биомаркеры, предсказывающие способность накопления Cd. Таким образом, мы даем новое представление о таксон-специфических стратегиях набора двух сортов риса в условиях стресса Cd и подчеркиваем полезность биомаркеров в предоставлении ключей к повышению устойчивости сельскохозяйственных культур к стрессу Cd в будущем.

Понимание характеристик микробиома, связанного с корнями, является новым приоритетом исследований; такая информация критически важна для нас, чтобы понять глубокую роль микробиомов в содействии росту сельскохозяйственных культур и устойчивости к стрессу окружающей среды [1,2,3]. Состав и функции микробного сообщества, связанного с корнями растений, в значительной степени дифференцируются по корневым микросредам обитания и фенотипам [4,5,6]. Недавние исследования сообщили о рекрутировании конкретных ниш и обогащении микроорганизмов, специфичных для функций, которые были вызваны реакцией микробиомов корней растений на возмущения окружающей среды [7,8,9]. Кроме того, растения-хозяева оказывают селекционное воздействие на микробиомы в нишах, связанных с корнями, что может вызывать реструктуризацию структуры сообщества и трансформацию функциональных профилей [10, 11]. Несмотря на растущее признание того, что структура и функционирование сообщества микробиомов, связанных с корнями, могут влиять на рост сельскохозяйственных культур в условиях абиотического стресса, использование знаний о микробиомах конкретных сортов для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к стрессу остается проблемой. Таким образом, выявление различных различий в составе и функциях микробов в корневых нишах у разных видов сельскохозяйственных культур или разных сортов внутри вида имеет большое значение для использования микробиомов сельскохозяйственных культур для повышения производительности.

С ростом спроса на сельскохозяйственные земли [12, 13] загрязнение сельскохозяйственных угодий кадмием (Cd) и его накопление в сельскохозяйственных культурах становится серьезной глобальной экологической проблемой [14]. Рис является одним из важнейших продуктов питания для человека. Из-за высокой мобильности Cd от корня к побегам риса потребление рисовых продуктов, загрязненных Cd, представляет серьезную угрозу для здоровья населения [15]. Для снижения накопления Cd в зерне риса, помимо внесения почвенных улучшителей для химической иммобилизации in-situ, широко применяются и другие меры, такие как возделывание сортов риса с низким накоплением Cd [16]. Повышение связанной с корнями микробной устойчивости к стрессу Cd может также снизить накопление Cd в зернах риса, т.е. микробные сообщества могут выполнять функции при повышенных уровнях Cd, такие как образование биопленок, выработка внеклеточных полимерных веществ (ЭПС) и гены устойчивости к тяжелым металлам и пути развития [17]. Разные сорта риса обладают разной способностью к поглощению и накоплению Cd [18, 19]. Цао и др. [20] показали, что гибридный рис может накапливать более высокую концентрацию Cd в зернах по сравнению с обычным рисом, и аналогичные результаты наблюдались также у двух основных типов азиатского культивируемого риса: риса Индика и японского риса [14]. Однако эти исследования были сосредоточены на различиях в накоплении Cd у разных сортов риса. Противоположные результаты могут быть связаны с различными биотическими и абиотическими факторами, такими как улучшение почвы и использование удобрений. В последнее время широко исследуется важность корневых микробиомов различных сортов риса в круговороте питательных веществ и деградации органических загрязнителей почвы [21, 22], однако до сих пор отсутствует информация о разнообразии корневых микробных сообществ и разнообразии сообществ. функции различных сортов риса, которые демонстрируют противоположные особенности накопления Cd.