纽荷尔脐橙叶片和幼果内生细菌群落多样性及其功能预测.pdf
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1、2023,45(4)DOI:10.13836/j.jjau.2023082Acta Agriculturae Universitatis Jiangxiensishttp:/江西农业大学学报 纽荷尔脐橙叶片和幼果内生细菌群落多样性及其功能预测游婧,刘冰*,熊桂红,蒋军喜,宋珏萍,雷若琦,朱珍,谢忠建(江西农业大学 农学院,江西 南昌 330045)摘要:【目的】柑橘溃疡病是脐橙上的一种重要病害,影响其发生的因素较多。通过了解纽荷尔脐橙内生细菌群落组成和其潜在的生物学功能,探索内生细菌在脐橙感染溃疡病中的作用。【方法】从纽荷尔脐橙树上随机采集未表现任何病害症状的幼果和嫩叶,嫩叶分别在春、夏、秋3
2、个季节进行采样,每个样品设3个重复。对4个样品进行表面消毒后从中提取DNA,PCR在25 L反应体系中进行,扩增产物经20 g/L琼脂糖凝胶电泳检查,选取主条带清晰的400500 bp片段进行测序。采用基于16S rRNA基因V3-V4可变区的高通量测序技术及Tax4Fun功能预测对纽荷尔脐橙内生细菌菌群及其功能进行了测定和分析。各样本数据在FLASH V1.2.7上进行拼接,利用QIIMEV1.7.0对产生的原始数据进行质控,用Uparse V7.0.10012对有效数据进行聚类,在97%的相似度水平上生成OTU。为每个OTU挑选一个代表序列,并使用SSUrRNA数据库进行物种注释分析使用,
3、获得分类学信息并分别在各个分类水平统计各样本的群落组成,并用MUSCLE(V3.8.31)进行多样性(样本内)和多样性(样本间)分析。通过UProC和PAUDA 2种方法将功能信息对应到SILVA数据库中,实现功能注释。【结果】季节和采摘部位对脐橙内生细菌群落组成的多样性和物种丰富度存在一定的差异,脐橙幼果中的内生细菌数量多于叶片,夏季相较于其他季节内生细菌群落丰富度更高;脐橙内生细菌群体在门水平上的组成相似,但丰度占比不同,且厚壁菌门、变形菌门和蓝菌门为主要优势门,各优势细菌纲数目、组成及其丰度随不同脐橙样本而异,芽孢杆菌属为主要优势属;Tax4Fun功能预测显示纽荷尔脐橙内生细菌包含大量关
4、于膜运输、碳水化合物代谢、氨基酸代谢、翻译、复制和修复、能量代谢、辅因子和维生素的代谢等基因信息,其中功能基因丰度较大的为碳水化合物代谢和氨基酸代谢,且脐橙夏天叶片的细胞过程和环境信息处理功能信息高于其他3种样品,幼果的遗传信息处理、新陈代谢、有机系统和人类疾病功能信息高于其他3种样品。【结论】纽荷尔脐橙内生细菌群落多样性丰富,具有大量代谢相关的有益菌,研究结果可为今后探索纽荷尔脐橙内生细菌菌群的利用和柑橘溃疡病的生物防治提供思路。关键词:纽荷尔脐橙;内生细菌多样性;功能预测;高通量测序;群落结构;Tax4Fun功能预测中图分类号:S436.66 文献标志码:A 开放科学(资源服务)标识码(O
5、SID):文章编号:1000-2286(2023)04-0884-10收稿日期:20230410 修回日期:20230518基金项目:国家自然科学基金项目(31460139)和江西省自然科学基金项目(20192BAB214004,20161BAB204184)Project supported by the National Natural Science Foundation of China(31460139)and Natural Science Foundation of Jiangxi Province(20192BAB214004,20161BAB204184)作者简介:游婧,硕士
6、生,orcid.org/0009-0004-5127-2951,;*通信作者:刘冰,副教授,博士,主要从事植物病害生物防治研究,orcid.org/0000-0002-0620-1642,。游婧,刘冰,熊桂红,等.纽荷尔脐橙叶片和幼果内生细菌群落多样性及其功能预测 J.江西农业大学学报,2023,45(4):884-893.YOU J,LIU B,XIONG G H,et al.Diversity and functional prediction of endophytic bacterial community in leaves and young fruits of Newhall N
7、avel OrangeJ.Acta agriculturae universitatis Jiangxiensis,2023,45(4):884-893.第 4 期游婧等:纽荷尔脐橙叶片和幼果内生细菌群落多样性及其功能预测Diversity and Functional Prediction of Endophytic Bacterial Community in Leaves and Young Fruits of Newhall Navel OrangeYOU Jing,LIU Bing*,XIONG Guihong,JIANG Junxi,SONG Jueping,LEI Ruoqi,Z
8、HU Zhen,XIE Zhongjian(College of Agriculture,Jiangxi Agricultural University,Nanchang 330045,China)Abstract:Objective Citrus canker is a disease on navel orange,and there are many factors affecting its occurrence.This study aims to understand the community composition and potential biological functi
9、ons of endophytic bacteria in Newhall navel orange,thus exploring the role of endophytic bacteria in navel orange infected with canker disease.Method The young fruit and young leaves without any disease symptoms were randomly collected from the Newhall navel orange tree.The young leaves were sampled
10、 in spring,summer and autumn respectively,each sample had three replicates.After disinfecting the surface of the four samples,DNA was extracted from the four samples.PCR was performed in a 25 L reaction system.The amplification product was examined by 20 g/L agarose gel electrophoresis,and the 400-5
11、00 bp fragment with clear main band was selected for sequencing.The endophytic bacterial flora and its function were determined and analyzed by high-throughput sequencing technology based on 16S rRNA gene V3-V4 variable region and Tax4Fun function prediction.The sample data were spliced on FLASH V1.
12、2.7,the original data were quality controlled by QIIMEV1.7.0,and the effective data were clustered by Uparse V7.0.10012 to generate OTU at the similarity level of 97%.A representative sequence was selected for each OTU,and the SSUrRNA database was used for species annotation analysis,the taxonomic i
13、nformation was obtained and the community composition of each sample was counted at each classification level.MUSCLE(V3.8.31)was used for diversity(within samples)and diversity(between samples)analysis.Functional information was mapped to the SILVA database by UProC and PAUDA methods to achieve func
14、tional annotation.ResultThe results showed that there were differences in the diversity and species richness of endophytic bacterial communities in navel oranges between seasons and picking sites,the number of endophytic bacteria in navel orange fruits was more than that in leaves,and the richness o
15、f endophytic bacteria in summer was higher than that in other seasons.The composition of endophytic bacteria in navel orange was similar at the phylum level,Firmicutes,Proteobacteria and Cyanobacteria were the main dominant phyla.The number,composition and abundance of each dominant bacterial class
16、varied in different navel orange samples.Bacillus was the main dominant genus.Tax4Fun function prediction revealed that endophytic bacteria in Newhall navel orange contained a large amount of genetic information about membrane transport,carbohydrate metabolism,amino acid metabolism,translation,repli
17、cation and repair,energy metabolism,metabolism of cofactors and vitamins.Among them,carbohydrate metabolism and amino acid metabolism were the most abundant functional genes,and the cell process and environmental information processing function information of navel orange leaves collected in summer
18、was higher than that of the other three samples,the genetic information processing,metabolism,organic system and human disease function information of young fruit was higher than that of the other three samples.ConclusionThe endophytic bacterial community of Newhall navel orange is rich in diversity
19、 and has a large number of beneficial bacteria related to metabolism.The results can provide ideas for the utilization of endophytic bacterial flora in Newhall navel orange and the biological control of citrus canker disease in the future.Keywords:Newhall navel orange;endophytic bacterial diversity;
20、functional prediction;high-throughput sequencing;community structure;Tax4Fun function prediction 885江 西 农 业 大 学 学 报第 45 卷【研究意义】植物内生菌(Endophyte)主要是指存在于植物各组织或器官内,在植物整个生命或某一特定生活阶段,不使其出现明显被感染症状的一类微生物1-2。近年来,内生细菌因其被发现可以提高宿主植物对胁迫环境的耐受性、促进植物生长、提高植物抗病性而受到广泛的关注3。然而,已有研究,特别是关于提高宿主植物抗病性的研究,主要局限于可人工培养的内生细菌4,鲜有难
21、培养内生细菌方面的报道。内生细菌和宿主植物能相互适应并相互作用,形成复杂的共生关系。宿主植物的基因型及不同器官、生长地和环境条件对内生细菌的种类、数量和活性都有显著的影响5-7。植物中大多数内生细菌对宿主的生长有重要影响,包括抗病方面的细菌8。因此,探索内生细菌群落的多样性,可深入了解内生细菌-宿主-环境之间的相互作用。柑橘溃疡病由柑橘黄单胞杆菌柑橘亚种Xanthomonas citri subsp.citri(Xcc)引起,在我国是一种重要的检疫性病害。【前人研究进展】目前,柑橘溃疡病尚无根治方法9,大多数柑橘种植区都是以化学防治为主。Xcc的选择性感染与柑橘品种有关,不同的柑橘品种对柑橘溃
22、疡病的抗病程度有明显差异,甜橙类、脐橙类普遍容易感病,宽皮橘类的抗病性最强,而柚类感病轻重不一10。据报道,柑橘品种所表现出对溃疡病的抗性与柑橘叶片结构(叶片厚度、气孔密度、海绵组织厚度等)11以及柑橘品种中内生细菌的类群12等多种因素有关。【本研究切入点】本研究以柑橘溃疡病的感病品种纽荷尔脐橙为材料,通过高通量测序技术对其内生细菌的多样性进行了测定和分析。【拟解决的关键问题】旨在了解纽荷尔脐橙内生细菌的群落组成及其潜在的生物学功能,为探索内生细菌在脐橙感染溃疡病中的作用提供参考。1 材料与方法1.1材料试验材料来源于江西农业大学科技园,从纽荷尔脐橙树上随机采集未表现任何病害症状的幼果和嫩叶。
23、脐橙幼果记为CSN.F,春、夏、秋采集的嫩叶分别记为CSN.SP、CSN.SU和CSN.AU。每个样品分别采自6株不同脐橙树(果园中随机分布)的6片叶子或果实,置于无菌塑料袋中-20 保存,备用。1.2样品的制备样品先后用体积分数70%酒精表面灭菌1 min,1%次氯酸钠溶液表面灭菌15 min,然后用无菌水洗涤45次,直至最后一遍无菌水洗涤液经涂板检测无细菌污染,样品在无菌纸上晾干。为降低误差,每个样本选取3 g作为1个样品,并设3个重复。1.3DNA提取采用Jiao等13和吴思梦等14报道的方法从植物组织中提取微生物DNA。具体方法是植物用液氮研磨,混合均匀。为排除植物叶绿体对后续细菌基因
24、组 DNA 提取的干扰,将 3 g 植物组织粉末悬浮于 15 mL 酶液(1.5%果胶酶 R-10、1.5%纤维素酶 R-10、0.12%N-吗啉乙烷磺酸、0.36%CaCl22H2O、12.8%D-甘露醇、0.011%磷酸二氢钠,pH为5.6)中,37 温育3 h。用200 g转速离心混合液5 min,重复3次。收集上清液于16 500 g转速离心20 min,收集沉淀。最后,根据生产厂家的说明书,使用全式金EasyPure细菌基因组DNA试剂盒提取DNA。每个样品分析重复3次。1.4DNA扩增和下一代测序以上述DNA为模板进行聚合酶链反应(PCR)扩增。引物341F(5-CCTAYGGGR
25、BGCASCAG-3)和806R(5-GGACTACNNGGGTATCTAAT-3)15扩增16S rRNA基因的V3-V4可变区。PCR在25 L反应体系中进行,稀释模板DNA 2 L,无菌水8.5 L,每个引物1 L,TaKaRa PCR Mix(中国大连)12.5 L。PCR反应条件为:94 初始变性;94 退火30 s,54 退火60 s,72 延伸2 min,35个循环,最后72 延伸10 min16。扩增产物经20 g/L琼脂糖凝胶电泳检查,选取主条带清晰的400500 bp片段,经Qiagen凝胶提取试剂盒(Qiagen,Germany)纯化后,在HiSeq 2500平台(Ill
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