《Phyton-International Journal of Experimental Botany》：Gene-Specific Effects of Three
Cry Transgenes on Rhizosphere Microbiota in
Catalpa bungei
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为评估抗虫转基因梓树的生态安全性，研究人员探究了表达Cry1Ab、Cry2A和Cry9-2三种Bt基因的转基因梓树对根际细菌群落的影响。通过16S rDNA高通量测序分析发现，转基因植株对根际微生物群落结构影响微弱，其中Cry9-2对群落扰动最小，支持其在林业应用中的生态安全性。
在森林培育中，一种名为梓树的速生用材树种正面临着一场隐秘的危机——一种名为梓梢螟的鳞翅目害虫，其幼虫蛀入嫩梢，导致植株枯萎甚至死亡。为了对抗这种害虫，科学家们此前利用基因工程技术，成功培育出能够表达苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis, Bt)杀虫晶体蛋白(Cry)的转基因梓树品系。这些品系展现出对梓梢螟的显著抗性，为解决林业虫害问题带来了希望。然而，一个关键的生态学问题也随之浮出水面：这些转入植物的外源Cry蛋白，是否会随着根系分泌物进入土壤，从而扰动植物根系周围至关重要的微生物“邻居”——根际微生物群落？根际微生物是土壤生态系统的核心，它们参与养分循环、有机物分解，并促进植物生长，其稳定性对森林健康至关重要。因此，在将转基因梓树推向实际应用之前，系统评估其对根际微生态的潜在影响，是确保其生态安全性不可或缺的一环。本研究正是在此背景下展开，论文发表在《Phyton-International Journal of Experimental Botany》上。
研究人员开展这项研究，主要依赖于以下几个关键技术方法：首先，他们以野生型梓树为对照，在田间种植了分别过表达Cry1Ab、Cry2A和Cry9-2基因的三组独立转基因梓树品系，并采集了其根际土壤样本。其次，利用高通量测序技术，对样本中细菌的16S核糖体DNA(rDNA)的V4–V5高变区进行扩增和测序，以解析微生物群落组成。再次，采用生物信息学流程对测序数据进行处理，包括生成扩增子序列变异(Amplicon Sequence Variant, ASV)、进行物种分类注释，并计算Alpha多样性和Beta多样性指数，以评估群落的丰富度、均匀度及结构差异。最后，运用线性判别分析效应大小(Linear discriminant analysis Effect Size, LEfSe)算法识别组间差异显著的微生物类群，并利用PICRUSt2工具对微生物群落的潜在代谢功能进行预测，从而在物种和功能两个层面评估转基因的影响。
研究结果
3.1. 测序质量与覆盖度
通过Illumina NovaSeq平台对16S rDNA V4–V5区进行测序，获得了高质量的序列数据，稀疏曲线趋于平缓，表明测序深度足以覆盖样本中的微生物多样性。
3.2. 基于ASV的核心微生物组与Alpha多样性指标
韦恩图和花瓣图分析显示，所有转基因品系与野生型(WT)共享628个ASV，构成了梓树根际稳定的核心微生物组。Alpha多样性分析（包括Chao1、Shannon、Simpson和Dominance指数）表明，所有转基因品系与WT之间的细菌群落丰富度和多样性均无显著统计学差异。
3.3. 群落系统发育与门水平分布
系统发育树分析显示，尽管存在一些组成差异，但各品系根际微生物的整体系统发育结构基本一致。优势菌门包括变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidota)、酸杆菌门(Acidobacteriota)和放线菌门(Actinobacteriota)。三元图进一步表明，Cry1Ab和Cry2A品系中变形菌门和拟杆菌门的相对丰度有增加趋势，而Cry9-2品系的群落组成与WT最为接近。
3.4. Beta多样性揭示群落相似性
基于加权UniFrac距离的UPGMA聚类和非度量多维尺度分析(NMDS)表明，所有处理组的样品紧密聚集，没有明显的分离。多重响应置换程序分析也证实，组间差异未达到统计学显著性。这总体上说明转基因并未导致根际微生物群落结构发生显著改变。
3.5. LefSe鉴定的差异类群
LEfSe分析识别出在特定转基因品系或WT中显著富集的微生物类群。例如，在Cry1Ab和Cry2A品系的根际中，伯克氏菌科(Burkholderiaceae)和罗尔斯通氏菌属(Ralstonia)等富营养型(机会营养型)类群有所富集；而在WT中，绿弯菌门(Chloroflexi)和甲基泛菌门(Methylomirabilota)等与有机物降解相关的类群更为丰富。相比之下，Cry9-2品系与WT的差异类群最少。
3.6. PICRUSt2预测的功能潜力
基于PICRUSt2的功能预测显示，所有转基因品系与WT之间，在京都基因与基因组百科全书(Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, KEGG)通路、酶委员会编号等层面的潜在代谢功能谱高度保守，没有检测到显著或一致的功能性改变。花瓣图显示所有组共享大量代谢通路，表明存在强大的功能冗余性。
研究结论与重要意义
本研究综合评估了三种不同Cry基因转基因梓树对根际细菌群落的影响，得出以下核心结论：首先，转基因梓树对根际微生物群落的总体影响是微弱的。Alpha和Beta多样性分析均未显示转基因与野生型之间存在显著差异，且所有品系共享一个由628个ASV构成的核心微生物组，证明群落基本结构保持稳定。其次，研究观察到了基因特异性的微生物响应模式。三种Cry基因对群落的影响呈现出梯度差异：Cry9-2品系的根际群落与野生型最为相似，几乎无法区分；Cry2A品系表现出中等程度的影响；而Cry1Ab品系则显示出相对最明显的群落组成偏移，具体表现为富营养型细菌（如某些变形菌门和拟杆菌门类群）的相对丰度增加。这些细微的组成变化可能与不同Cry基因的表达水平、蛋白稳定性或其对植物生理（如根系分泌物）的潜在间接影响有关。最后，尽管存在微弱的组成变化，但功能预测分析表明，所有转基因品系的根际微生物群落保持着强大的代谢功能冗余，关键生态功能未受明显扰动。
这项研究的意义重大。它为评估转基因木本植物，特别是Bt抗虫树的生态安全性提供了重要的科学数据和案例参考。研究首次在同一个树种背景下，平行比较了三种不同Cry基因的生态效应，揭示了基因特异性影响的梯度，这对于未来转基因林木的基因选择和风险评估具有直接指导价值。结果表明，Cry9-2基因在保持根际微生物群落稳定性方面表现优异，可被视为林业应用中生态扰动更小的优势候选基因。更重要的是，该研究从微生物生态学角度，支持了所研究的这些转基因梓树品系具有较高的环境安全性，为其未来的潜在应用提供了生态学依据，有助于推动可持续和生态友好的抗虫林木育种发展。当然，研究作者也指出，长期的田间监测和不同环境条件下的验证，对于全面评估其生态安全性仍然是必要的。
