Root endophytic bacterial and fungal communities in a natural hot desert are differentially regulated in dry and wet seasons by stochastic processes and functional traits

自然の砂漠おける根の内生細菌および菌類群集は、確率的プロセスと機能的形質によって乾季と雨季で異なる制御を受けている

谷口 武士*; 磯部 一夫*; 今田 省吾*; Eltayeb, M. M.*; 赤路 康朗*; 中山 理智  ; Allen, M. F.*; Aronson, E. L.*

Taniguchi, Takeshi*; Isobe, Kazuo*; Imada, Shogo*; Eltayeb, M. M.*; Akaji, Yasuaki*; Nakayama, Masataka; Allen, M. F.*; Aronson, E. L.*

乾燥地の生態系は強度の乾燥と適度な降水の季節的なサイクルを経験する。乾燥地の植物は典型的にはパッチ状に分布しており、多くは繰り返す乾湿ストレスを生き抜くために根の内生微生物と共生している。群集合体は多くのシステムで見出されているが、乾燥地における機能微生物によるコロニー形成や季節の移り変わりとの関係は不明である。ここでは、米国南西部の高温砂漠における乾季と雨季の根の内生微生物分類群、およびその根のコロニー形成と関連した形質を調べた。5種類の砂漠性低木について、16S rRNAおよびITSの遺伝子プロファイリングを行い、内生微生物系統の季節変化を分析した。また、微生物形質との関係における中立的な群集モデルへの適合度を評価した。夏には、属特異的ではないものの、放線菌(グラム陽性菌)が増加した。真菌類では、夏に糸状菌が選択的に増加した。冬期には、窒素固定や植物成長促進を行うグラム陰性菌属が増加した。中立モデル解析の結果、内生細菌については確率的な影響が強いが、菌類については特に夏季に弱い影響が見られた。中立モデルで予測された頻度よりも高い頻度を示した分類群は、環境適応性と共生形質を共有していたが、病原性真菌の頻度は予測値以下であった。これらの結果は、細菌と真菌の群集形成が異なる制御を受けていることを示唆している。細菌群集は、乾燥に対する細菌の反応(反応形質)と植物に対する有益な効果(効果形質)を介して、確率的および決定論的なプロセスの影響を受けていた。菌類については、夏期に菌根菌が植物によって選択された。乾季と雨季の両方で植物による有益な微生物の制御が行われていることから、この砂漠の自然生態系には植物-土壌の正のフィードバックが存在することが示唆された。

Dryland ecosystems experience seasonal cycles of severe drought and moderate precipitation. Desert plants typically have patchy distributions, and many may develop symbiotic relationships with root endophytic microbes to survive under the repeated wet and extremely dry conditions. Although community coalescence has been found in many systems, the colonization by functional microbes and its relationship to seasonal transitions in arid regions are not well understood. Here we examined root endophytic microbial taxa, and their traits in relation to their root colonization, during the dry and wet seasons in a hot desert of the southwestern United States. We used high-throughput DNA sequencing of 16S rRNA and ITS gene profiling of five desert shrubs, and analyzed the seasonal change in endophytic microbial lineages. In summer, Actinobacteria increased, although this was not genus-specific. For fungi, Glomeraceae selectively increased in summer. In winter, Gram-negative bacterial genera, including those capable of nitrogen fixation and plant growth promotion, increased. Neutral model analysis revealed a strong stochastic influence on endophytic bacteria but a weak effect for fungi, especially in summer. The taxa with higher frequency than that predicted by the neutral model shared environmental adaptability and symbiotic traits, whereas the frequency of pathogenic fungi was at or under the predicted value. These results suggest that community assembly of bacteria and fungi is regulated differently. The bacterial community was affected by stochastic and deterministic processes via the bacterial response to drought (response trait) and beneficial effect on plants (effect trait). For fungi, mycorrhizal fungi were selected by plants in summer. The regulation of beneficial microbes by plants in both dry and wet seasons suggests the presence of plant-soil positive feedback in this natural desert ecosystem.