Metagenomic analysis of rhizosphere soil microbiota in wild and cultivated Notopterygium incisum, an umbelliferae medicinal herb.

چکیده اصلی

Notopterygium incisum is not only a traditional Chinese medicine but also an endemic herb. Artificial domestication and large-scale cultivation are crucial for resolving the crisis of wild resources and the supply-demand imbalance of N. incisum, yet current techniques have failed to stably provide the herb medicine in good quality. Metagenomic analyses revealed significant differences in the rhizomicrobiota between wild and cultivated N. incisum, particularly in microbial composition, gene functions, and community assembly. The rhizomicrobiota of the wild N. incisum from 3 different sites with an altitude drop over 1400 m had a similar composition when being compared with the cultivated samples. The wild N. incisum had higher abundances of beneficial microbes, particularly Hyphomicrobiales (Rhizobiales) (21.27% on average). In contrast, the rhizosphere microbial communities of the cultivated N. incisum showed a high prevalence of functional genes involved in the pathways of DNA repair and recombination proteins, replication and repair, peptidases and inhibitors, DNA replication proteins, and transfer RNA biogenesis. The co-occurrence networks analysis indicated that the stability of the wild samples' network remained significantly more robust when nodes were proportionally removed, as the wild samples' network had approximately the same positive and negative links while the cultivated samples' network had nearly all positive links and many fewer connectors. This is related to the conclusion that wild N. incisum exhibits superior efficacy, as reported in previous studies. Additionally, it can be observed from the sampling images that the root surface of wild N. incisum has more pronounced tiny protrusions, which may be associated with rhizobial attachment, thereby enhancing the nitrogen fixation process. Importantly, the observed shifts in rhizosphere microbial communities, particularly the enrichment of beneficial rhizobia in wild plants, are closely linked to enhanced accumulation of bioactive secondary metabolites such as coumarins and volatile oils. These microbiome-driven differences are likely associated with the superior medicinal quality of wild N. incisum compared to cultivated counterparts, highlighting the pivotal role of rhizosphere microbes in shaping therapeutic efficacy.

ترجمه فارسی چکیده

Notopterygium incisum هم گیاه بومی و هم داروی سنتی چینی است. اهلیت مصنوعی و کشت‌وکاشت در مقیاس بزرگ برای حل بحران منابع وحشی و ناهمگونی تقاضا و عرضه این گیاه حیاتی است، اما تکنیک‌های فعلی نتوانسته‌اند کیفیت خوب و پایدار گیاه را تضمین کنند. تحلیل‌های متاژنومیک تفاوت‌های معناداری در میکروبیوتای ریشه‌ای بین گیاه وحشی و کشت‌شده N. incisum، به‌ویژه در ترکیب میکروبی، توابع ژنی و تجمع جامعه، را نشان دادند. میکروبیوتای ریشه‌ای گیاه وحشی از سه سایت با افت ارتفاع بیش از ۱۴۰۰ متر، با نمونه‌های کشت‌شده مقایسه شده و ترکیب مشابهی داشتند. گیاه وحشی N. incisum غلظت بالاتری از میکروارگانیسم‌های مفید، به‌ویژه Hyphomicrobiales (Rhizobiales) (میانگین ۲۱.۲۷٪) داشت. در مقابل، جوامع میکروبی ریشه‌ای گیاه کشت‌شده N. incisum نشان‌دهنده پراکندگی بالا از ژن‌های توابع در مسیرهای تعمیر و بازسازی پروتئین‌های DNA، تکثیر و تعمیر، پپتیدازها و مهارکننده‌ها، پروتئین‌های تکثیر DNA و بیوسنتز tRNA بودند. تحلیل شبکه‌های هم‌وجود نشان داد که پایداری شبکه نمونه‌های وحشی به طور معناداری پایدارتر باقی می‌ماند، در حالی که شبکه نمونه‌های کشت‌شده تقریباً تمام لینک‌های مثبت و تعداد بسیار کمتری از اتصالات داشتند. این موضوع مرتبط با conclusion است که گیاه وحشی N. incisum اثربخشی برتری دارد. علاوه بر این، از تصاویر نمونه‌برداری مشاهده شد که سطح ریشه گیاه وحشی N. incisum برجسته‌های ریز بیشتری دارد که ممکن است با اتصال ریزوبیا مرتبط باشد و فرآیند تثبیت نیتروژن را تقویت کند. مهم است که تغییرات مشاهده‌شده در جوامع میکروبی ریشه‌ای، به‌ویژه غنی‌سازی ریزوبیا‌های مفید در گیاهان وحشی، به طور نزدیک با تجمع بهبود یافته متابولیت‌های ثانویه فعال زیستی مانند کومارین‌ها و روغن‌های فرار مرتبط است. این تفاوت‌های محرک میکروبیوتا احتمالاً با کیفیت دارویی برتر گیاه وحشی N. incisum نسبت به همتایان کشت‌شده مرتبط است و نقش کلیدی میکروبیوتای ریشه‌ای را در شکل‌دهی به اثربخشی درمانی برجسته می‌کند.

متن کامل اصلی