科研 | Environ Microbiome（IF：5.286）：大麦种子中的宝藏：微生物多样性与植物有益菌

编译：微科盟阿Z，编辑：微科盟茗溪、江舜尧。

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导读  

背景：与植物相关的细菌可以增强植物的生长和抗植物病原菌的能力。今天，种植者的目标是减少矿物肥料和杀虫剂的使用。由于植物病原菌在作物生产系统中造成严重的产量损失，因此生物替代品受到越来越多的关注。植物和种子内生菌都有可能影响植物，尤其是种子传播的细菌可能在植物发育的初始阶段表现出有益的影响。在本研究中，我们通过16S rRNA基因扩增子测序分析了7种遗传多样性大麦种子的内生微生物群，并验证了分离的种子内生菌的体外植物有益潜力。此外，我们还通过16S rRNA基因扩增子测序研究了大麦基因型及其种子微生物群对生长早期根际微生物群的影响。

结果：植物基因型对大麦种子和根际微生物群都有显著影响。因此，内生种子微生物群的微生物α和β多样性受到基因型的显著影响。有趣的是，内生种子微生物群与7种基因型的单核苷酸多态性之间没有相关性。迄今为止，肠杆菌科（Enterobacteriaceae）的未分类成员占大多数。种子微生物群中其他丰富的属属于短杆菌属（Curtobacterium）、类芽孢杆菌属（Paenibacillus）、泛菌属（Pantoea）、血杆菌属（Sanguibacter）和糖芽胞杆菌属（Saccharibacillus）。根据16S rRNA基因序列，从大麦种子中分离出的内生菌属于核心种子微生物群的优势属。这些内生菌株大多在体外产生有益于植物的次级代谢产物，可诱导植物抗性。

结论：尽管代表高遗传多样性的大麦种质表现出基因型依赖的内生种子微生物群，但已鉴定出具有高相对丰度的核心种子微生物群。内生菌属于核心种子微生物群的成员，其中许多具有植物有益特性。因此，我们建议新的育种策略应该考虑具有高丰度有益微生物的基因型。

论文ID

原名：The treasure inside barley seeds: microbial diversity and plant beneficial bacteria

译名：大麦种子中的宝藏：微生物多样性与植物有益细菌

期刊：Environmental Microbiome

IF：5.286

发表时间：2021.10.28

通讯作者：Kornelia Smalla

通讯作者单位：德国Julius Kühn研究所（JKI）-栽培植物联邦研究中心

DOI号：10.1186/s40793-021-00389-8

实验设计

研究结果

1 大麦种子的微生物多样性受基因型的影响

为了验证我们的假设，即7种大麦的遗传多样性影响其种子微生物群，我们对从表面灭菌的种子粉末中提取的DNA进行了16S rRNA基因扩增子测序。共获得208241个读长，并组装到475个ASVs。每个样本的中位读数为7807个读长。稀疏曲线（图S1）表明，序列库大小足以覆盖每个样本中的微生物多样性，但BCC1415的一个样本除外，因其读长量低而未在评估中考虑。

通过α多样性指数物种丰富度（p ≤ 0.001）和Shannon指数（p ≤ 0.01）的单因素方差分析揭示了基因型对内生种子微生物群的影响。对Pielou均匀度影响不大（p  ≤  0.05）。令人兴奋的是，Golden Promise和HOR7985显示了最高的微生物α多样性，而BCC1589显示了最低的微生物α多样性（图1a，b；表S2）。然而，由于同一品种的重复之间的高度变异性，α多样性指数的成对比较仅对少数基因型有显著性。

为了可视化内生种子微生物群的β多样性，我们进行了NMDS分析（图1c），揭示了属于不同基因型样本的显著分组（ANOSIM p  ≤  0.001）。基因型BCC1415显示出与所有其他基因型不同的明显分组。在较近的聚类基因型中，与BCC1589相比，Golden Promise和HOR7985出现了清晰的模式，而BCC436、BCC768和Morex则组合在一起。

PERMANOVA支持基因型对大麦种子微生物群组成有显著影响（R2 = 0.39；p ≤ 0.001；表1）。在单次分析中对每个基因型进行测试，揭示了一个更清晰的模式（表1）。BCC1415显示出与NMDS中其他基因型不同的单独聚类，与除Golden Promise之外的所有其他基因型显著不同。观察到Golden Promise与HOR7985、BCC436和BCC768以及HOR7985与BCC1589和Morex的其他显著差异。为了排除采样方面的潜在影响，进行了无Golden Promise样品的PERMANOVA试验。尽管所有基因型都生长在相同的田间地点和生长条件，但它们的种子微生物群仍然受到基因型的显著影响（PERMANOVA R2 =  0.37；p  ≤  0.01；对于NMDS，参见图S2）。

尽管发现大麦内生种子微生物群受微生物α和β多样性基因型的影响，这支持了我们关于7种遗传多样性大麦种质的不同微生物群落的假设，7种大麦基因型的ASVs与SNPs的遗传变异均无相关性，r = - 0.04和p = 0.41。

图1. 内生种子微生物群的微生物多样性在7种不同的大麦基因型之间存在差异。选择Golden Promise和Morex作为参考基因型。HOR7985、BCC1415、BCC436、BCC768和BCC1589代表224个春大麦种质集内的遗传多样性。微生物α多样性指数物种丰度（a）和Shannon多样性指数（b）因植物基因型而异（物种丰富度的方差分析p  ≤ 0.001和Shannon指数p ≤ 0.01）。包含统计信息的α多样性指数值见表S2。利用NMDS技术观察内生种子微生物群落的β多样性（c）。基于Bray-Curtis群落差异（16S rRNA基因扩增测序获得ASVs）和7种不同基因型表面灭菌大麦种子DNA进行微生物群组成分析。ANOSIM验证了基因型之间的显著差异（p ≤ 0.001)。

表1. 大麦种子微生物群的PERMANOVA。

2 不同基因型大麦种子微生物群的分类组成不同

为了验证我们的假设，即宿主植物遗传背景可以影响内生种子微生物群的组成，我们分析了大麦种子微生物群的分类群落组成。变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）是种子微生物群中的优势门（图2；表S3）。放线菌门和数量较少的拟杆菌门（Bacteroidetes）在基因型之间存在显著差异，尽管每个基因型的不同重复显示出一定的变异性。例如，与BCC1589相比，BCC1415显示出较高的放线菌相对丰度（49.5% vs. 11.2%）。

肠杆菌科（Enterobacteriaceae）相关分类群是迄今为止所有基因型中最丰富的属（高达57.2%；表2）。我们使用NCBI数据库将所有观察到的13个未分类的肠杆菌科ASVs分配到分类群，以更好地了解这些高度丰富的肠杆菌科在大麦种子中的作用。相对丰度最高的两个ASV序列（约66%）在分类学上隶属于成团泛菌（Pantoea agglomerans）（99.64-100%序列同源性），而其他ASVs揭示了肠杆菌属（Enterobacter）（100%序列同源性）或未培养的肠杆菌科的分类学隶属关系。

除未分类的肠杆菌科和泛菌属（Pantoea），所有大麦基因型的高丰度属为短小杆菌属（Curtobacterium）、类芽孢杆菌属（Paenibacillus）、糖芽胞杆菌属（Saccharibacillus）和假单胞菌属（Pseudomonas），且相对丰度相似。令人兴奋的是，基因型之间其他一些属的相对丰度存在差异。例如，血杆菌属（Sanguibacter）在HOR7985中的含量是其他基因型的六倍。相对丰度不同的其他属有根瘤菌属（Rhizobium）、寡养单胞菌属（Stenotrophomonas）、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）、金黄杆菌属（Chryseobacterium）和地杆菌属（Pedobacter）（表2）。

在大麦种子微生物群中总共发现了475个ASVs，隶属于78属。在这些ASVs中，有12个是所有基因型共有的（图3），在分类上隶属于肠杆菌科、微杆菌科（Microbacteriaceae）、Sanguibacteriaceae、短小杆菌属、泛菌属、假单胞菌属、血杆菌属和罗尔斯通菌属（Ralstonia），并且约44%的读长代表了所有基因型中最丰富的属（表2）。每个基因型也有19-45%的独特ASVs。

综上所述，大麦种子微生物组的分类组成受基因型的影响。最丰富的属由不同的基因型共享，表明存在核心微生物群，但它们的相对丰度在不同基因型之间往往不同。此外，每个基因型也检测到独特的分类群。

 图2. 变形菌门、放线菌门和厚壁菌门是所有基因型的大麦种子微生物群中的优势门。除Golden Promise（三个重复）外，每个基因型平均有四个重复。数值和统计信息可以在表S3中看到。

表2. 7种大麦种子微生物群中最丰富的20个属。

 字母表示显著差异（Tukey's test p ≤ 0.05)。星号表示也从种子中分离出来的属。

 图3. 大麦基因型具有独特的扩增子序列变异（ASVs），然而，它们共享一个巨大的核心微生物群。与共享ASVs相比，基因型特异性ASVs的数量更高（25-46%），然而，共享ASVs的读数率为44%。所有基因型共享的12个ASVs，在分类上隶属于短小杆菌属、泛菌属、假单胞菌属、血杆菌属、罗尔斯通菌属、肠杆菌科、血杆菌科（Sanguibacteraceae）和微杆菌科。

  3 大麦种子微生物群中分离的内生细菌的流行率

为了深入了解内生种子微生物群的功能，我们为大麦种子微生物组的核心成员分配功能。因此，我们从R2A上的7种大麦的每个基因型的表面灭菌种子中分离出内生细菌。CFUs的数量取决于基因型（图S2），每克种子BCC1415的CFU数为2*102，BCC1589的CFU数为4*104。从BCC768种子中仅获得7个分离菌株，从Morex种子中仅获得10个分离菌株。因此，挑选用于进一步表征的菌落源自不同的稀释度。

分离的内生菌根据其BOX指纹进行分组，并将一个代表性的16S rRNA基因的部分序列发送到NCBI数据库，以确定分类隶属关系（表3）。从7种基因型中的五种中分离出类芽孢杆菌属（21%）、短小杆菌属（22%）和血杆菌属（24%）（图4；表3）。此外，在7种基因型中的三个基因型中检测到泛菌属、小坂菌属（Kosakonia）和糖芽胞杆菌属。其他分离菌株的获得率较低。短小杆菌属分离菌株显示出不同的BOX指纹，这些指纹独立于分离它们的植物基因型（图S3）。有趣的是，类芽孢杆菌属分离菌株显示的BOX指纹因基因型而异（图S4）。

通过多重比对进一步将内生菌株的16S rRNA基因序列与ASV序列进行比较。大多数分离的共有序列在ASV序列中表现良好。

对于属于肠杆菌科的内生分离菌株，ASV序列和分离株一致性序列之间的比较主要导致未分类肠杆菌科的两个ASV序列：一个ASV序列与欧文氏菌属（Erwinia）和泛菌属分离株具有高度的序列同源性，另一个根据NCBI用于小坂菌属。由于大麦种子中未分类肠杆菌科的相对丰度较高，因此进行了系统发育树（图5），包括来自内生分离株的共有序列、8种最丰富的未分类肠杆菌科的ASVs和泛菌属、欧文氏菌属、小坂菌属和肠杆菌属的NCBI参考菌株（表2）。系统发育树阐明了肠杆菌科相关分离株和ASV序列在分类学上与两个主要簇的联系：一个簇隶属于泛菌属和欧文氏菌属参考序列，另一个簇隶属于小坂菌属和肠杆菌属参考序列。

选择参考基因型Golden Promise来鉴定可以在非选择性培养基中富集的内生菌株。种子糊过夜富集后，只富集了泛菌属和类芽孢杆菌属两个不同种的分离株。

表3. 从大麦种子中分离的内生菌的功能概况。

 图4. 从7种不同基因型的大麦种子中分离出内生菌。颜色代表不同的大麦基因型。通过16S rRNA基因扩增序列比对NCBI数据库，确定大麦种子内生菌的分类隶属关系。第一次命中被用于从属关系。

图5. 分离株、ASV和NCBI参考菌株的肠杆菌科相关16S rRNA基因序列的系统发育分析。在系统发育树中，使用了分离的内生菌（9个；粉红色）和最丰富的未分类肠杆菌科ASVs（8个；蓝色）的所有肠杆菌科相关一致序列。此外，从NCBI数据库（绿色）中选择参考菌株。利用UPGMA聚类和基于距离分析方法得到了系统发育树的拓扑结构。多粘类芽孢杆菌DSM 36 T被用作外群菌。在系统发育树下方，显示了肠杆菌科相关ASVs的相对丰度，*突出显示了与从HOR7985、BCC436和BCC768获得的小坂菌属分离株密切相关的ASV（表3）。

  4 大麦种子内生菌潜在植物活性的体外功能特征

我们假设大麦内生菌会产生可能影响植物生理的次生代谢物，例如增强植物防御能力。这些有益于植物的活动对于改进替代农业实践具有重要意义。因此，我们通过不同的生物测定评估了裂解酶活性和具有潜在植物防御增强能力的次生代谢物（表3）。我们的结果显示，所有短小杆菌属分离株均显示出蛋白酶活性。在大多数分离株中检测到纤维素酶活性和IAA产生。β-1,3-葡聚糖酶活性在短小杆菌属分离株中的表现和强度各不相同。

来自不同植物基因型的15株类芽孢杆菌属均表现出蛋白酶、β-1,3-葡聚糖酶和纤维素酶活性。不同菌株的几丁质酶活性不同。所有类芽孢杆菌菌株均能产生IAA。大多数血杆菌属菌株显示出β-1,3-葡聚糖酶活性。其中一个菌株能够降解纤维素，另一个菌株能够降解几丁质。4株血杆菌属分离株被证明能够使用ACC作为替代氮源。所有5个糖芽胞杆菌属菌株均显示纤维素酶活性，但只有4个分离株显示β-1,3-葡聚糖酶活性和3个ACC脱氨酶活性。泛菌属、欧文氏菌属和小坂菌属的所有分离株都产生铁载体和IAA，并且能够溶解磷酸盐。唯一产生AHL的分离株属于泛菌属和欧文氏菌属。

总之，我们的研究结果支持大麦种子内生菌具有一些潜在的植物有益或植物抗性诱导潜力的特性。

  5 7种大麦生长早期根际微生物群

我们旨在研究大麦基因型及其种子微生物组如何影响根际微生物组。在不同耕作方式下，研究了7种大麦早期根际微生物群落的组成。我们选择了用板犁（MP）和耕作机耕作（CT）两种不同耕作方式管理的土壤作为模型，分析不同基因型大麦在不同农业背景下的使用效果。16S rRNA基因扩增子测序获得了1,487,732个读长，分配给14,460个ASVs。每个样本的平均读长次数为21737.5次。稀疏曲线（图S5）表明序列库大小足以覆盖每个样本中的微生物多样性。

  5.1 大麦种子微生物群和根际微生物群只有少数属相同

内生种子微生物群与MP和CT根际共有39个属（图6c）。此外，6个属和1个属分别与MP或CT根际共有。39个共有属属于未分类的肠杆菌科、伯克氏菌科（Burkholderiaceae）、微杆菌科（Microbacteriaceae）、类芽孢杆菌属、鞘氨醇单胞菌属、马赛菌属（Massilia）、假单胞菌属、芽孢杆菌属（Bacillus）、根瘤菌属（Rhizobium）和寡养单胞菌属。有趣的是，鞘氨醇单胞菌属、未分类伯克氏菌科、马赛菌属和芽孢杆菌属在种子和根际微生物群中的相对丰度相似。相比之下，未分类的肠杆菌科或寡养单胞菌属这样的成员在根际的丰度非常低。

  5.2 不同基因型大麦根际微生物多样性的差异

在物种丰富度方面，不同基因型的植物根际微生物群落的微生物α多样性存在显著差异（p ≤ 0.001；图6a，b）。数值范围在659.07和1625.07之间（S4和S5）。分别通过NMDS对MP和CT根际样品的根际微生物β多样性进行可视化分析（图S7A，B）。对于这两种土壤变体，植物基因型显著影响根际群落组成（ANOSIMp ≤ 0.001），但是，不同的基因型出现在狭窄的簇中。

PERMANOVA进一步证实了植物基因型对根际微生物群落的影响（R2 = 0.33，对于MP，p ≤ 0.001，对于CT，R2 = 0.26，p ≤ 0.001；表4）。然而，成对比较仅揭示了某些基因型之间的显著差异（表S6和S7）。微生境根际对土壤的影响较小（MP：R2 = 0.06，p ≤ 0.01；CT：R2 = 0.06，p ≤ 0.001；表4）。

  5.3 基因型依赖的根际微生物群也受耕作方式的影响

有趣的是，不同基因型的物种丰富度也取决于耕作方式（耕作方式p ≤ 0.01；耕作措施：基因型p ≤ 0.001）。在MP土壤中，Golden Promise的物种丰富度值最高（1625.07；表S4），而在CT土壤中，Golden Promise的物种丰富度值较低（1068.03），并检测到BCC1589的物种丰富度值最高（1339.95；表S5）。Shannon指数显示出与物种丰富度观察到的类似趋势（图S6）。比较两种对比耕作方式，CT非根际土壤样品的物种丰富度和Shannon指数比MP更高。微生物β多样性也受耕作方式的影响（R2 = 0.08，p ≤ 0.001；表4）。

分类组成分析表明，大麦根际和两种土壤变体MP和CT的非根际土壤样品中，最丰富的门是酸杆菌门、放线菌门、变形菌门、浮霉菌门（Planctomycetes）、绿弯菌门（Chloroflexi）、奇古菌门（Thaumarchaeota）、疣微菌门（Verrucomicrobia）和拟杆菌门（表S8）。在门水平上的基因型依赖性差异取决于土壤变异。与BCC1415（2.06%）相比，拟杆菌门在Golden Promise的MP根际的相对丰度（4.05%）更高。这一趋势在CT根际不明显，但两种非根际土壤中拟杆菌门的比例水平相似。放线菌在Morex（20.03-20.25%）和HOR7985（19.33-20.09%）的两种土壤变体中的相对丰度相似，但与之相比，它们在CT中的相对丰度高于BCC768和BCC1589的MP根际（分别为23.68%和18.14%以及23.17%和17.27%）。两种土壤变体的根际和非根际土壤中高度丰富的属属于亚组6（Subgroup 6），Nitrososphaeraceae和Sphingomonas（表S9）。

尽管如α和β多样性分析所示，大麦根际微生物群受植物基因型的显著影响，但分类组成和高度丰富的属也受到农业土壤管理实践的影响。然而，种子和根际微生物区系共享的属很少。

图6. 根际微生物群受基因型影响，与种子微生物群共享少数属。从两种土壤变体MP（板犁；a）和CT（耕耘机耕作；b）中获得了7种不同基因型的非根际土壤和大麦根际微生物群的物种丰度。不同的基因型揭示了不同的物种丰度，这取决于大麦基因型。方差分析证实了基因型的显著影响（p ≤ 0.001）。数值和统计数据可在见表S4和S5。Venn图显示，大麦种子与所有大麦基因型的MP和CT根际微生物群c之间共享39个属。

表4. 大麦根际和非根际土壤样品的PERMANOVA。 

根际（RS）和非根际土壤（BS）样本取自7种不同的基因型和具有两种不同耕作方式的农业土壤（板犁：MP与耕耘机耕作：CT）。

讨论

管理植物微生物群以改善植物健康可能是更可持续农业的关键。在过去的几年中，越来越多的研究集中在本地种子微生物群及其驱动植物对生物和非生物胁迫因素耐受性的潜在有益成员上。成功定植幼苗的种子内生菌被认为是改进种子处理技术的重要研究目标。

在本研究中，我们证明了大麦基因型对种子和根际微生物群有显著影响。然而，实际上在根际检测到种子微生物群的成员很少。Yang等人在基于RNA的研究中已经报道了基因型对大麦种子微生物群的影响。然而，在他们的研究中，对所使用的不同大麦品种的遗传相关性一无所知。在我们的研究中，我们使用了5种大麦基因型，这些基因型被提议用来展示224春大麦种质集内的遗传多样性。虽然不同的种子微生物群受基因型的影响，但没有观察到种子微生物群与SNPs的遗传变异之间的相关性，这表明种子微生物群至少不由所研究的SNPs决定。未来的植物育种研究可以探索与种子微生物多样性相关的数量性状位点（QTL），如玉米叶附生细菌已经显示的那样。

Wehner等人探索相同7种大麦的研究还考察了Ensifer meliloti expR+对不同基因型的真菌叶片病原菌Puccinia hordei的启动效率。HOR7985是最佳的主要基因型，有趣的是，该基因型在本研究中显示出最高的种子微生物群多样性（图1a，b；表S2）。种子内的高微生物多样性可能会对未来与植物有益微生物的相互作用产生积极的影响。根据这一假设，未被E. meliloti expR+引发的基因型BCC436显示出较低的微生物α多样性（图1a，b；表S2）。

基因型BCC1415与其他所有基因型（Golden Promise除外）在德国同一田间生长的种子微生物群在β多样性方面差异最大，但令人惊讶的是，在英国生长的Golden Promise的种子微生物群没有差异（图1c；表1）。通过将Golden Promise排除在α和β多样性分析之外，证明了基因型对种子微生物群结构的高度影响（图S2）。虽然在之前曾报道过土壤对内生种子微生物群建立的影响，但似乎基因型对种子微生物群的影响更大。先前的研究报道了水稻种子微生物群和甜菜种子微生物群的类似结果，表明基因型对种子微生物群的影响高于地理位置。

尽管使用了不同的品种和基因型，但基于RNA和DNA的三项大麦种子微生物群的研究发现，假单胞菌属和寡养单胞菌属在种子微生物群中普遍存在，但相对丰度不同。在这两项基于DNA的研究中，肠杆菌科是大麦种子中的主要成员，而在基于RNA的研究中，叶杆菌科（Phyllobacteriaceae）非常丰富，这可能是因为种子微生物群在R2A上被激活。尽管采用了不同的技术，但类芽孢杆菌属和糖芽胞杆菌属是大麦种子中的主要属，而Yang等人未检测到血杆菌属和短小杆菌属，这表明这些属可能代谢不活跃或相对丰度较低。

在本研究中，在大麦内生种子微生物群中观察到的主要细菌门为变形菌门，放线菌门和厚壁菌门，以前在大麦种子中报道过。这些门在水稻种子微生物群、野生卷心菜种子微生物群、南瓜种子微生物群以及十字花科种子中也占优势。有趣的是，在本研究中，在水稻种子中也发现了丰富的属，如泛菌属、类芽孢杆菌属、小坂菌属、微杆菌属（Microbacterium）、假单胞菌属、短小杆菌属和欧文氏菌属，而在烟草种子中发现了血杆菌属、糖芽胞杆菌属、鞘氨醇单胞菌、寡养单胞菌属以及微杆菌属和类芽孢杆菌属。由于这些门甚至属存在于许多植物物种的种子中，包括双子叶植物和单子叶植物，我们认为隶属于这些门的细菌属于普遍的核心种子微生物群。无论植物种类、起源、生理学或代谢如何，这种核心微生物群都会适应植物区室并存在于种子中。核心种子微生物群成员的比例似乎因植物种类和基因型、土壤类型或地理位置的不同而在相对丰度上有所不同。

尽管本研究中最主要的ASVs隶属于未分类的肠杆菌科，但通过与参考菌株和内生菌株进行16S rRNA基因序列比较分析，解决了高度丰富的肠杆菌科相关ASVs的分类学隶属关系（图5）。很高比例的相应ASVs与成团泛菌的不同植物有益菌株具有高度的序列同源性。其他ASVs隶属于肠杆菌属，属于该属的菌株此前曾被报道含有植物有益菌株。我们也发现肠杆菌科在其他植物物种的种子中含量很高，并假设它们可能有助于其在叶际中相对较高的丰度。

令人兴奋的是，本研究中从大麦种子中分离的内生菌与核心种子微生物群的优势成员（表3）具有较高的16S rRNA基因序列同一性，因此可以深入了解核心种子微生物群的各个成员的潜在功能。从每种植物基因型的种子中获得的分离物的多样性并未反映为各自的种子微生物群确定的物种丰富度。出乎意料的是，作为种子微生物群中丰富成员的假单胞菌属和根瘤菌属在我们的分离物集合中缺失。这可能与所使用的栽培方法有关，同时也可能与环境胁迫导致的可栽培性降低有关。

本研究中测试的植物有益性状（细胞壁降解酶、ACC脱氨酶、植物激素合成、铁载体和AHL产生）被认为是植物内生群落中的常见功能。与拟杆菌相关的菌株可能是植物病原菌生物防治或植物生长促进菌的良好候选菌株，因为这些菌株表现出许多有益的活性（表3）。只有隶属于泛菌属、欧文氏菌属和小坂菌属的菌株表现出铁载体产生和磷酸盐溶解。隶属于这些属的分离物是众所周知的植物有益菌。在以前的一项研究中，植物病原体Xanthomonas campestris pv. vitians的相对丰度与生菜叶际中泛菌属和欧文氏菌属的出现呈负相关，表明其在植物保护的重要作用。在本研究中，大多数短小杆菌属分离株隶属于C. flaccumfaciens，只有一个分离株隶属于腊叶芽枝霉（C. herbarum）。后一种菌株显示出与其他短小杆菌属分离株不同的功能特征（表3）。此前，短小杆菌属被报道为多种植物的内生菌。报道了不同的C. flaccumfaciens菌株具有生防活性。此外，C. herbarum CS10显示出铁载体和IAA的产生以及促进植物生长的活性。关于血杆菌属植物有益特性的知识很少，但该属以前曾被报道为内生菌。本研究中从大麦种子中分离的糖芽胞杆菌属具有ACC脱氨酶和β-1,3-葡聚糖酶的能力。先前从大麦种子和其他植物物种中获得了与糖芽胞杆菌属分离株，但仅在本研究中确定了糖芽胞杆菌属分离株（β-1,3-葡聚糖酶、纤维素酶、ACC脱氨酶、IAA）的潜在植物有益功能。属于这些属的种子内生菌具有研究其植物有益性状和诱导抗性的潜力。

本地种子微生物群中含有内生菌，这些内生菌被认为是先天性植物免疫的协同成分，因为水稻种子内生菌鞘氨醇单胞菌能够在植物发育后期对植物伯克氏菌产生抗性。还发现小麦幼苗中普遍存在的分类群来源于种子微生物群，但土壤微生物群也有重要但可变的影响。先前对大麦种子微生物群的研究发现，随着植物发育的增加，种子微生物群对内生根微生物群的贡献发生了变化，种子内生菌在内生根微生物群中的优势降低。在本研究中，我们观察到土壤对大麦根际微生物群分有很大影响，由于观察到的分类组成和属的相对丰富度在7种基因型之间没有显示出明显的差异，并且与先前针对相同田间土壤的研究中土壤和根际样本相似。在大麦根际样品中，大多数高丰度的种子内生菌相对丰度较低（寡养单胞菌属）或未检测到（短小杆菌属、泛菌属、血杆菌属）。然而，有些属，如类芽孢杆菌属、假单胞菌属或鞘氨醇单胞菌属，在种子和根际微生物群之间是共享的，但它们的相对丰度在微生境之间是不同的。

有趣的是，植物基因型对根际微生物群的影响取决于先前的土壤管理，如α多样性指数所示（表S4、S5和图S4）。具有两种不同耕作历史的土壤（板犁和耕耘机耕作）具有不同的物理化学特征，这表明土壤养分和植物之间的相互作用可能对根际微生物群落的组装很重要。

结论

尽管在本研究中发现了植物基因型依赖的内生种子微生物群，但在种子微生物群和不同基因型之间的遗传变异之间没有观察到明显的相关性。然而，观察到所有基因型共有的核心微生物群。在以前的研究中，内生菌被证明能诱导植物抗性，它们属于种子中高度丰富的属。令人兴奋的是，本研究从大麦种子中获得了这些属的分离株。大多数分离的内生菌在体外表现出不同的植物有益特性。我们的内生菌株属于类芽孢杆菌属、泛菌属和短小杆菌属，这些属含有影响植物生理学的分离株，但也有属于无植物有益特性的血杆菌属或糖芽胞杆菌属。这些菌株在体内是否具有有益于植物的影响仍有待阐明。虽然检测到植物基因型依赖的根际微生物群组成，种子微生物群的贡献却很小，但在根际微生物群中也检测到了一些种子微生物群的成员。由于种子内生菌可能在防御启动中发挥重要作用，因此我们建议未来的育种策略应考虑具有高丰度和多样性的植物有益微生物的基因型。