草原植物不同部位微生物的群落结构、潜在功能及其与植物进化的关系

Microorganisms play important roles in plant growth and health, evolution and diversity maintenance. However, the relationships of microbes among the plant tissues and plant-microbe co-evolution are not clear. Here we will use high-throughput sequencing, metagenome and bioinformatics methods to study microbial communities associated with typical plants distributed in Inner Mongolia meadow steppe, typical steppe, desert steppe and alpine meadow in Qinghai-Tibetan Plateau. We will study 1) the distribution patterns of microbial community structure and function in phyllosphere, leaf endophyte, root endophyte, rhizosphere and bulk soil, and their relationships with the different parts of plant and plant species; 2) the co-evolution relationships between plants and microbes; 3) the influence of geographical distance, climate, soil properties, plant types and nutrients on the relationships of plants and microbes. The study will reveal the adaptation mechanisms of plants and microbes to environmental changes, and provide new insights into our understanding of plants and microbes response to global climate changes.

微生物对植物生长、进化和多样性的维持起着重要作用。然而，对草原植物不同部位微生物的群落结构、潜在功能、植物进化与其微生物进化的关系并不清楚。本项目拟利用高通量测序、宏基因组和生物信息学方法，以内蒙古草甸草原、典型草原、荒漠草原和青藏高原高寒草甸生态系统中分布的典型植物为研究对象，（1）调查植物叶际、叶内、根内、根际和非根际土壤微生物群落结构、潜在功能的分布规律，及其与植物不同部位和植物类型的关系；（2）研究植物系统进化与微生物群落进化之间的协同作用关系；（3）探讨生物地理距离、气候、土壤理化性质、植物类型和不同营养成分等因素对植物与微生物间关系的影响。本项目将通过研究植物不同部位微生物群落的分布规律、及植物进化与微生物进化的关系，揭示植物与微生物对环境的协同适应性。研究成果将为预测植物和微生物对全球气候变化的协同响应提供科学数据。

微生物对植物生长、进化和多样性的维持起着重要作用。然而，对草原植物不同部位微生物的多样性、群落结构、潜在功能，以及植物进化与其微生物进化的关系并不清楚。本项目研究了内蒙古草甸草原、典型草原、荒漠草原和青藏高原高寒草甸生态系统中分布的典型植物不同部位（叶内、叶际、根内、根际）和非根际土壤的微生物（原核微生物和真菌）。研究结果显示：（1）植物不同部位对微生物的选择作用大于植被基因型和空间地理位置，植物叶际、叶内、根内、根际和非根际土壤微生物群落结构和潜在功能既相互重叠又有其特殊性，其中原核微生物群落呈现内生-非内生模式，而真菌群落呈现出地下-地上模式。(2)植物不同部位的优势物种不同，并执行其特有的功能。如叶内生原核微生物群落跟肠道微生物群落组成类似，负责物质代谢和养分吸收，光合作用主要由叶内、叶际和根内原核微生物参与，根际微生物的组成和功能与土壤类似。（3）影响植物不同部位的原核微生物主要受植物选择性作用，而真菌主要受环境因素的影响，植物与微生物之间的关系对高寒和干旱环境有特殊的适应性，如叶内和根内显著富集的假单胞菌参与多种代谢过程的功能基因，在促进营养元素吸收、提高植物在寒冷中的生态适应性方面有着重要的潜在功能。（4）植物内生微生物显著影响了植物物种的进化。（5）基于本项目数据分析编写的R包microeco将会成为微生物生态学领域不可或缺的强大数据分析工具。研究结果阐明了草原植物微生物与植物不同部位、基因型和环境因素之间的关系，为研究植物与微生物对环境的协同适应性机制提供依据。