林麗+陳澤斌+何群香+徐松萍+華金珠+黃麗+徐勝光
摘要: 為了揭示煙草不同器官中內(nèi)生細菌的分布規(guī)律,應用Illumina測序平臺的MiSeq高通量測序儀對煙草根、莖、葉中內(nèi)生細菌的16S rDNA-V4區(qū)擴增子進行測序,對測得數(shù)據(jù)進行生物信息學分析,評價物種α多樣性和β多樣性。經(jīng)FLASH軟件對序列進行拼接,莖、葉、根樣品分別獲得36 129、60 312、52 573條原始序列,經(jīng)Qiime軟件過濾,再剔除宿主的葉綠體和線粒體序列,最終分別得到35 190、58 938、51 268條有效序列,在97%的序列相似性水平上,這些有效序列被Uparse軟件劃分為1 447、1 141、1 220個操作分類單元(OTUs)。序列比對結(jié)果表明,在根、莖、葉中芽球菌屬(Blastococcus)、鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas)為優(yōu)勢菌。類諾卡氏菌屬(Nocardioides)、鏈霉菌屬(Streptomyces)、Gemmatimonadaceae屬、Gaiella屬、壤紅桿菌屬(Solirubrobacter)、假單胞菌屬(Pseudomonas)細菌表現(xiàn)出組織專一性,主成分分析表明,根和葉中內(nèi)生細菌群落結(jié)構最為相似。煙草植株內(nèi)蘊含豐富的細菌資源,受組織結(jié)構及成分因素影響表現(xiàn)出器官差異性,即莖>根>葉。通過對煙草不同部位內(nèi)生細菌多樣性進行研究,可為煙草植物生物活性內(nèi)生菌株的發(fā)掘利用提供理論依據(jù)。
關鍵詞: 煙草;營養(yǎng)器官;內(nèi)生細菌;組成;多樣性;分布規(guī)律;生物信息學;宿主;優(yōu)勢菌;基因工程菌
中圖分類號: S572.01;Q939.92 文獻標志碼: A
文章編號:1002-1302(2017)22-0274-05
植物內(nèi)生細菌(endophytic baeteria)泛指那些在其生活中的一定階段或全部階段生活于健康植物體內(nèi)對植物器官未引起明顯病害癥狀的微生物[1]。近年來,已知在地球上接近30種的高等植物中每個物種都與多種內(nèi)生細菌共生[2]。對煙草植物中內(nèi)生細菌的報道早就出現(xiàn)了,但大多采用一代測序進行研究分析,運用二代測序進行研究分析的報道少之又少。因此,本研究采用Illumina高通量測序平臺的MiSeq測序儀對煙草不同部位內(nèi)生細菌的16S rDNA擴增子進行二代測序,相較于傳統(tǒng)的組織培養(yǎng)法以及基于一代測序的非培養(yǎng)方法,測序費用低,測序深度更大,檢測靈敏度更高,從而能更好地實現(xiàn)對煙草不同部位內(nèi)生細菌種類的準確調(diào)查,從而加深對煙草內(nèi)生細菌種群結(jié)構的了解。
內(nèi)生細菌是一個多樣性豐富的微生物類群,生活于健康植物的各個組織和細胞間隙內(nèi),具有穩(wěn)定的生存空間,不易受環(huán)境條件的影響,可以在植物體內(nèi)獨立地分裂繁殖和傳遞,并與宿主植物協(xié)同進化[3]。內(nèi)生細菌長期生活在植物組織內(nèi),與宿主形成共生關系,生態(tài)適應性強,產(chǎn)生活性物質(zhì),并參與信息轉(zhuǎn)導作用直接作用于宿主本身,植物內(nèi)生細菌能夠促進宿主植物的生長、提高宿主植物的抗病蟲害能力、增強宿主植物抗逆性[4],提高宿主植物對環(huán)境的適應性,加強系統(tǒng)的生態(tài)平衡。研究表明,高等植物中普遍存在內(nèi)生細菌,據(jù)不完全文獻統(tǒng)計,截至2010年,在各種農(nóng)作物及經(jīng)濟作物中發(fā)現(xiàn)的內(nèi)生細菌已超過129種,分屬于54個屬,主要為假單胞菌屬(Pseudomonas)、腸桿菌屬(Enterobacter)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、泛菌屬(Pantoea)、甲基桿菌屬(Methylobacterium)等[5]。陳澤斌等采用研磨組織稀釋分離法分離煙草植株中的內(nèi)生細菌,對不同組織器官、不同生長期的煙草內(nèi)生細菌菌群密度進行研究。結(jié)果表明,煙株的根、莖、葉中均存在大量的內(nèi)生細菌,煙草內(nèi)生細菌的分布存在品種差異、生長期差異、組織部位差異。在整個生育期中,以成熟期內(nèi)生細菌的數(shù)量最多[6]。他們還采用稀釋平板法從健康煙草的根、莖、葉組織中分離到267株內(nèi)生細菌,并利用細菌菌落表征性狀和16S rRNA序列對這些分離物進行多樣性分析。經(jīng)克隆測序分析表明,這267株分離物分別與GenBank中6類細菌中的21個已知種相似性達到98%~99%[7]。王茂勝等為揭示煙草內(nèi)生細菌多樣性,選擇K326、云85和紅花大金元3個烤煙品種進行內(nèi)生細菌的分離和16S rDNA序列分析鑒定,獲得不同品種煙草內(nèi)生細菌的多樣性特征。結(jié)果顯示,3個品種的香農(nóng)指數(shù)以K326最高,為2.02;其次是云煙85,為1.48;紅花大金元最低,為1.30[8]。這些研究進展所采用的都是一代測序技術,然而早期一代測序技術普遍存在諸如文庫構建過程復雜、測序成本較高、通量低、難以做大量的平行測序等缺點。為了克服上述缺點,筆者利用近年來發(fā)展的新二代測序技術,不僅在文庫構建等方面取得了重要突破,進一步簡化了測序操作,降低了測序成本,縮短了測序時間;而且二代測序技術的出現(xiàn)使DNA測序的通量有所提高,原來只有在大型測序中心才能完成的測序任務現(xiàn)在已經(jīng)可以在更多的實驗室展開。本研究采用近年來興起的Illumina MiSeq二代測序技術對煙草根、莖、葉內(nèi)生細菌種類組成進行分析,相較于傳統(tǒng)的純培養(yǎng)方法及以16S rDNA為基礎的非培養(yǎng)方法,能夠產(chǎn)生測序覆蓋深度更大的數(shù)據(jù)量,從而對煙草內(nèi)生細菌的種類進行全面而準確的調(diào)查,為豐富植物微生態(tài)學理論及基因工程菌的研究和應用奠定基礎。
1 材料與方法
1.1 試驗材料
2016年7月27日于云南省宣威市落水鎮(zhèn)試驗田隨機選取10株成熟期健康無明顯病害煙草,煙草品種為云煙87,采集其根、莖、葉放入無菌樣品袋中,均勻混合,低溫保鮮,24 h內(nèi)進行表面消毒處理。
1.2 表面消毒
將烤煙根、莖、葉用滅菌水沖洗干凈,先用1%次氯酸鈉浸泡5 min,再用75%乙醇浸泡2 min,無菌水沖洗3次,用無菌濾紙吸干表面水分,表面消毒效果接近100%[9]。
1.3 總DNA提取
按參考文獻[10]所采用的CTAB方法提取根、莖、葉的總DNA,并用0.8%瓊脂糖凝膠電泳檢查DNA的完整度和濃度,并將剩余的樣品存于2 mL離心管中,使用無菌水稀釋樣品DNA至1 ng/μL。endprint