Mikrobielle Ökologie
Die Intensivierung der Landwirtschaft verringert die Komplexität des mikrobiellen Netzwerks und die Häufigkeit von Keystone-Taxa in Wurzeln
Amplikonsequenzierung in voller Länge (ITS) |PacBio-HIFI
Höhepunkte
ADie Intensivierung der Landwirtschaft ist aufgrund ihrer nachteiligen Auswirkungen auf die Umwelt, einschließlich schlechter Nährstoffnutzungseffizienz, Eutrophierung des Grundwassers, Verschlechterung der Bodenqualität usw., zunehmend problematisch geworden. Um die Schäden zu verringern, wurden weithin alternative Anbausysteme wie Direktsaat und ökologischer Landbau eingeführt.Die mikrobielle Gemeinschaft spielt eine unverzichtbare Rolle für die Produktivität und Nachhaltigkeit des Agrarökosystems.Es ist jedoch eher unklar, wie sich unterschiedliche Anbausysteme auf die Wurzelmikrobiota auswirken.
Experimentelles Design
Experimente
SÖl- und Wurzelproben (DNA) stammten von Weizenfeldern auf 60 landwirtschaftlichen Nutzflächen (jeweils 20).
GRouping: 1. Konvention (mit Bodenbearbeitung);2. Übereinkommen (Direktsaat);3. Bio-Ackerland
SSequenzierungsstrategie: Amplikonsequenzierung in voller Länge (ITS)
PRimer: ITS1F-ITS4 (zielt auf die gesamte ITS-Region ~630 bp ab)
SSequenzierungsplattform: PacBio RS II
Bioinformatische Analyse
Ergebnisse
OIm Durchschnitt wurden 357 OTUs pro Standort und insgesamt 837 OTUs aller 60 Standorte identifiziert.Die Alpha-Diversität der Wurzelpilzgemeinschaften zeigte keinen signifikanten Unterschied zwischen den drei Anbausystemen.Bei der Beta-Diversitätsanalyse wurden jedoch drei unterschiedliche Cluster gebildet, was auf starke Auswirkungen des Anbausystems auf die Struktur der Wurzelpilzgemeinschaft hinweist.
Abbildung 1. Alpha-Diversitätsanalyse (Shannon-Index und Zusammensetzung der Gemeinschaft) und Beta-Diversitätsanalyse (kanonische Analyse der Hauptkoordinaten) an Wurzelpilzgemeinschaften
TDie Keystone-Taxa wurden auf der Grundlage des gesamten Netzwerks von Pilzgemeinschaften in drei Anbausystemen definiert: Es wurden die 10 besten Knoten mit dem höchsten Grad, der höchsten Nähe-Zentralität und der niedrigsten Zwischen-Zentralität ausgewählt.Sieben von ihnen gehörten Mykorrhiza-Ordnungen an.
Abbildung 2. Gesamtnetzwerk zu Wurzelpilzgemeinschaften von drei Anbausystemen
FScharfschaltsystemspezifische Netzwerke zeigten eine erheblich höhere Konnektivität im organischen Netzwerk mit doppelt so vielen Kanten und mehr verbundenen Knoten als Direktsaat- und konventionelle Netzwerke.Darüber hinaus beherbergte das Netzwerk des ökologischen Landbaus im Vergleich zum Rest viel mehr Schlüsseltaxa (Diamant), was seine Komplexität und Konnektivität untermauerte
Abbildung 3. Anbausystemspezifische Wurzelpilznetzwerke
AEs wurde ein starker negativer Zusammenhang zwischen der landwirtschaftlichen Intensität und der Konnektivität des Wurzelpilznetzwerks beobachtet.Zufällige Waldanalysen ergaben die Hauptfaktoren für Keystone-Taxa: Bodenphosphor, Schüttdichte, pH-Wert und Mykorrhiza-Besiedlung.
Abbildung 4. Intensität der Landwirtschaft und Netzwerkkonnektivität zwischen drei Landwirtschaftssystemen (A und B);Zufällige Waldanalyse (C) und Zusammenhang zwischen landwirtschaftlicher Intensität und AMF-Besiedlung (D)
Technologie
Amplikonsequenzierung in voller Länge
AAls das „Third Generation Sequencing“ auf die Bühne kam, wurden die Einschränkungen in den Zielregionen und Probleme bei der De-novo-Montage überwunden.Pacific Bioscience (PacBio) hat das Lesen von Sequenzen erfolgreich auf mehrere zehn Kilobasen erweitert, was es uns ermöglicht, Lesevorgänge in voller Länge von 16s-rRNA (1.000 bp-1.500 bp) in Bakterien oder 18S-rRNA (1.500 bp-2.000 bp) und ITS zu erhalten Regionen (400 bp-900 bp) in Eukaryoten.Die erweiterte Sicht auf das genetische Feld verbesserte die Auflösung von Artenanmerkungen und funktionellen Genen erheblich.Das seit langem besorgniserregende Problem der Basisgenauigkeit wurde durch die PacBio CCS-Selbstkorrektur gelöst, die HIFI-Lesevorgänge mit einer Lesegenauigkeit von über 99 % generiert.
Leistung bei der OTU-Annotation
TDurch die Vorteile sowohl langer Lesevorgänge als auch eines hohen Durchsatzes kann die Genauigkeit der Annotation drastisch erhöht und eine Auflösung auf „Speziesebene“ bei der mikrobiellen Identifizierung erreicht werden.
Referenz
Banerjee, Samiran et al.„Die Intensivierung der Landwirtschaft verringert die Komplexität des mikrobiellen Netzwerks und die Häufigkeit wichtiger Taxa in Wurzeln.“Das ISME Journal (2019).
Technik und Highlights Ziel ist es, die neuesten erfolgreichen Anwendungen verschiedener Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologien in verschiedenen Forschungsbereichen sowie brillante Ideen im experimentellen Design und beim Data Mining zu teilen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 08.01.2022