嫁接是防止单一栽培植物产量下降的常用技术。然而，目前对嫁接如何改变土壤微生物区系的组成以及这些变化如何影响随后的作物性能的理解仍然有限。
本次为大家介绍一个经典的土壤-反馈实验设计，该实验设计同时结合多组学分析，揭示了嫁接影响了植物根际土壤微生物组成、功能和代谢，且这种影响可以通过“植物-土壤反馈”反映在后续的植物种植中，研究成果发表在Microbiome。
实验设计
样本类型：根际土、根
测序策略：16S+ITS+宏基因组binning+代谢组
实验设计：
土壤反馈调节阶段：未嫁接的西瓜和嫁接的西瓜在田间连续单作6年。收集两种处理中的散装土壤样本以评估土壤特性并用于细菌和真菌扩增子测序。相同的土壤也用于响应阶段实验。
响应阶段实验：
实验1：同种植物-土壤反馈实验，6个处理（2种土壤类型×3种植物生长类型）。未嫁接的西瓜和嫁接的西瓜分别移栽在未嫁接西瓜条件土壤和嫁接西瓜条件土壤独立生长和竞争生长。植物生长18天后，每隔3天收获一次植物，并确定生物量，即总共收获10次（n = 3）。在最后一次收获时间点（移植后45天），对块状土壤进行取样以评估其土壤特性，并对根际土壤进行取样以进行细菌和真菌扩增子测序（n = 3）。收集根样品以确定代谢物的组成（n = 4）。
实验2：生物反馈实验，8个处理（2种条件土壤×2种植物类型×2个处理条件）。未嫁接的西瓜和嫁接的西瓜分别移栽在未嫁接条件土壤和嫁接条件土壤，同时设置了2个处理条件，未灭菌的和经过伽马射线射线灭菌。这些植物也在移植后45天收获，并测定其生物量（未嫁接的西瓜n = 9，嫁接的西瓜n = 10）。保留未灭菌处理的根际土壤用于宏基因组测序（n = 5）。
研究结果
1、嫁接显著分化了植物土壤反馈，改变了微生物组成
未嫁接条件土壤中的细菌Shannon多样性指数和丰富度显著低于嫁接条件土壤（两个指标的P < 0.001）。分离的嫁接西瓜植物总是表现出显著的正同种反馈（图2b）。由嫁接西瓜植物调节的土壤总是对嫁接和未嫁接西瓜植物的生长产生正反馈效应。
本研究在竞争性生长期间，比较了同种和异种土壤之间的植物性能。在竞争中，未嫁接西瓜的负反馈强度在生长后期下降，甚至转为正反馈（图2c）。随着植物的老化。当植物竞争时，在孤立的嫁接西瓜植物中观察到的正反馈显著降低（图2d）。然而，该反馈仍然显著高于零（图2d），表明反馈虽然减弱，但仍对植物生长有积极贡献。
2、潜在的关键微生物分类群影响植物生长
使用随机森林分析来评估由同一植物（同种土壤）和另一种植物（异种土壤）调节的土壤之间细菌和真菌属丰度的变化如何影响同种植物-土壤反馈值。细菌属丰度的变化与这些反馈值密切相关（图3a）。同样，真菌属丰度的变化显著预测了同种反馈值（图3b）。
3、土壤微生物遗留改变了植物根系的代谢谱
本研究比较了在未嫁接和嫁接条件土壤中生长的未嫁接西瓜的根相关代谢谱，以及在两种条件土壤中生长的嫁接西瓜的根相关代谢谱。代谢组图谱显示，在未嫁接条件土壤上生长的未嫁接西瓜中富集的代谢物与硫代谢途径有关（图4b）。但相同的未嫁接植物生长在嫁接条件土壤上，导致与精氨酸生物合成途径相关的富集代谢物（图4c）。VIP分析确定了嫁接西瓜中的关键代谢物，这些代谢物导致了不同条件土壤之间观察到的差异。
4、与代谢组学分析相关的宏基因组组装基因组重建
根据宏基因组测序数据，从未灭菌土壤（未嫁接或嫁接的条件土壤）上生长的未嫁接和嫁接西瓜植物根际土样本中重建了100个宏基因组组装基因组（MAG）（图5），完整性超过70%且污染比例小于10%。这些MAG在分类学上隶属于7个不同的细菌门（图5）。
为了阐明可以预测同种植物-土壤反馈的微生物的功能，将通过随机森林分析鉴定的微生物与来自每个处理的MAG相交，以检测共享微生物的推定关键物种和代谢特征。在未嫁接的条件土壤上生长的未嫁接西瓜根际的两个MAGs被发现与Tahibacter和Amycolatopsis有关（图6a，b），当同一未嫁接西瓜在异质性土壤中生长时，另外两个MAG与Chryseobacterium和Lysobacter有关（图6c，d）。对这四个MAGs进行了从MAGs中得出的代谢和生态推断（图6）。
参考文献
Efect of plant-derived microbial soil legacy in a grafting system—a turn for the better. Microbiome, 2024.