（1）在大麦中找到了能够影响其根部周围微生物（根际微生物区系）组成的植物基因。其中一个名为QRMC-3HS的基因区域作用尤为关键。

（2）研究人员锁定了该区域内的几个候选基因，其中一个与植物免疫相关的NLR基因可能性很大。

摘要

（1）A prerequisite to exploiting soil microbes for sustainable crop production is the identification of the plant genes shaping microbiota composition in the rhizosphere, the interface between roots and soil. 利用土壤微生物进行可持续作物生产的一个先决条件是确定决定根际(根和土壤之间的界面)微生物组成的植物基因。

（2）Here, we use metagenomics information as an external quantitative phenotype to map the host genetic determinants of the rhizosphere microbiota in wild and domesticated genotypes of barley, the fourth most cultivated cereal globally. 在这里，我们使用宏基因组学信息作为外部定量表型来绘制野生和驯化基因型大麦根际微生物区系的宿主遗传决定因素，大麦是全球第四大种植谷物。  

（3）We identify a small number of loci with a major effect on the composition of rhizosphere communities. One of those, designated the QRMC-3HS, emerges as a major determinant of microbiota composition. 我们确定了少数对根际群落组成有重要影响的位点。其中一种被命名为QRMC-3HS，是微生物群组成的主要决定因素。 

（4）We subject soil-grown sibling lines harbouring contrasting alleles at QRMC-3HS and hosting contrasting microbiotas to comparative root RNA-seq profiling 我们对土壤中生长的同胞系进行了比较根RNA-seq图谱分析，这些同胞系在QRMC-3HS上含有不同的等位基因，并含有不同的微生物群 . 、

（5）This allows us to identify three primary candidate genes, including a Nucleotide-Binding-Leucine-Rich-Repeat (NLR) gene in a region of structural variation of the barley genome. Our results provide insights into the footprint of crop improvement on the plant’s capacity of shaping rhizosphere microbes. 这使我们能够确定三个主要的候选基因，包括大麦基因组结构变异区域中的一个核苷酸结合富含亮氨酸重复序列(NLR)基因。我们的结果为作物改良对植物塑造根际微生物能力的影响提供了见解。

Results 结果

（6）The composition of the bacterial microbiota in the barley rhizosphere appears to be controlled by a limited number of loci 大麦根际细菌微生物群的组成似乎是由有限数量的基因座控制的

展示不同样本组间微生物组成的差异

子图 a: 三元相图，展示微生物物种（ASVs）在不同样本类型中的分布偏好。三个顶点：代表三种不同的样本类型：基因型根际：现代栽培大麦的根际土壤。基因型根际：野生大麦的根际土壤。大块土壤：不与植物根系直接接触的土壤。图中的每个点：代表一个微生物物种。点的位置：表示该微生物主要在哪里被发现。如果一个点非常靠近“精英基因型”的顶点，说明这个微生物几乎只存在于精英大麦的根际。如果一个点位于三角形的中心，说明这个微生物在三种样本中都有分布，没有明显偏好。这种着色是基于统计检验（Wald检验），并进行了多重校正，确保了结果的可靠性。

子图 b: 主坐标典型分析图，整体比较不同样本组之间整个微生物群落结构的相似性与差异性。代表一个生物学重复（例如，从一株独立的大麦植株收集的根际样本）。

遗传学研究中常用的Circos图，它非常有效地展示了植物基因位点与微生物性状之间的全基因组关联分析结果。a) 大麦染色体，环上的7个色块代表大麦的7条染色体。染色体上的刻度和黑色数字表示遗传距离，单位是厘摩（cM）。这个距离表示的是基因在遗传过程中的相对位置，而不是物理位置。b) 灰色的连接线，这些线连接了单核苷酸多态性（SNP）的物理位置（在染色体上）和其遗传图谱上的位置（环外圈的cM值）。作用：确保物理图谱和遗传图谱能够对应起来，说明遗传分析是精确的。（c, d, e) 环内部的形状标记，这些三角形、方形、圆形等标记，是本次分析找到的显著关联位点。每一个形状都代表一个与微生物丰度变化显著相关的基因位点。标记在环上的位置（哪个染色体，哪个cM值）就是控制该微生物性状的候选基因位点所在的位置。它们的类别：c) ASV： 与单个微生物物种丰度相关的位点。d) 属： 与整个微生物属（包含多个物种）丰度相关的位点。e) 科： 与整个微生物科（包含多个属）丰度相关的位点。颜色：表示该微生物在哪个亲本（精英或野生）的根际中更富集。形状：代表该微生物在门一级的分类学归属（如厚壁菌门、拟杆菌门等）。不同形状帮助读者从更高分类层级上区分这些微生物。

（7）Wild introgressions at QRMC-3HS are associated with compositional changes in the rhizosphere bacterial microbiota QRMC-3HS的野生渐渗与根际细菌微生物群的组成变化有关

QRMC-3HS 基因位点对不同类型微生物的特异性影响。QRMC-3HS位点的野生型等位基因与细菌微生物区系组成的改变有关，但与真菌微生物区系无关。

（8）Genetic variation at QRMC-3HS does not perturb the composition of the barley fungal microbiota QRMC-3HS的遗传变异不会扰乱大麦真菌微生物群的组成

研究通过比较在QRMC-3HS位点近等基因系（124_52 vs 124_17），发现虽然只有3个基因存在表达差异，但这证实了该基因位点的等位基因差异确实直接影响了根部少数基因的转录水平。这3个基因是最直接、最关键的候选基因，很可能就是QRMC-3HS发挥作用的功能基因。

基因位点 (QRMC-3HS)、基因结构变异 和 差异基因表达 三者联系了起来，锁定了关键的候选基因。在 QRMC-3HS 位点内，染色体结构的差异（大片段的等位基因变异）直接导致了其内部基因的表达差异，从而解释了为什么这个位点能对根际微生物组成产生巨大影响。子图 a: 基因表达差异图谱。X轴：表示大麦3号染色体（chr3H）的物理位置，单位是兆碱基（Mb）。这就像一张染色体地图。Y轴 (Log2 FC)：表示在同胞系 124_17 (精英型) 与 124_52 (野生型) 比较中，基因表达的对数倍率变化。大于0表示该基因在124_17中表达更高。小于0表示该基因在124_52中表达更高。在 QRMC-3HS 区域（淡粉色高亮区域），我们看到了密集的、高度显著的红色和蓝色点。这表明，QRMC-3HS位点内部存在着大量表达水平受其等位基因型控制的基因。子图 b: 染色体结构模型，展示了两个同胞系（124_17 和 124_52）在3号染色体QRMC-3HS区域的等位基因构成。橙色片段：来自精英亲本 (Barke) 的染色体片段。蓝色片段：来自野生亲本 (HID144) 的染色体片段。在 QRMC-3HS 区域（淡粉色高亮区域），两个同胞系的染色体组成存在一个明显的“交换”。这证实了QRMC-3HS是一个结构变异区域，两个品系在此处拥有完全不同的、大段的DNA序列。

（9）QRMC-3HS does not impact other root and yield traits QRMC-3HS不影响其他根系和产量性状

（10）Genetic diversity at QRMC-3HS is associated with distinct root transcriptional profiles QRMC-3HS的遗传多样性与不同的根转录谱相关

（11）Identification and prioritisation of QRMC-3HS candidate genes QRMC-3HS候选基因的鉴定和优先排序

（12）Structural variation at QRMC-3HS in the barley pan-genome 大麦全基因组QRMC-3HS的结构变异

从基因组序列水平提供了最直接的证据，揭示了 QRMC-3HS 位点的本质——它是大麦基因组中一个存在大规模结构变异的区域。点阵图 的可视化方法，用于比较两个基因组序列的共线性关系。X轴和Y轴：分别代表两个被比较的大麦品种的基因组序列（物理位置，单位：碱基对 bp）。紫色的点：代表两个基因组之间序列高度相似（≥95% 一致性）且长度较长（>1000 bp） 的区域。这些点连成的对角线，表示两个基因组的这段区域排列有序，序列保守。白色的区域：代表被预测为 QRMC-3HS 的基因座区域。灰色背景：代表QRMC-3HS区域之外的基因组背景。子图 a: Barke 与 Morex 的比较。发现：在代表 QRMC-3HS 的白色区域中，对角线出现了明显的断裂和错位。在QRMC-3HS区域，品种Barke和Morex的基因组序列无法像周围区域那样整齐地对齐。这表明两个品种在此处存在大规模的结构变异，例如大片段的插入、缺失、倒位或序列重复等。这些变异改变了序列的顺序和长度，导致在点阵图上无法形成连续的对角线。子图 b: Barke 与 Golden Promise 的比较，发现：在整个比较区域（包括QRMC-3HS白色区域），紫色点形成了一条连续、未中断的平滑对角线。品种Barke和Golden Promise在QRMC-3HS及其周围区域的基因组序列高度保守，排列顺序基本一致。这表明这两个品种在QRMC-3HS位点共享相同的等位基因型，不存在像Barke和Morex之间那样的大规模结构变异。

NLR（核苷酸结合富含亮氨酸重复序列）基因在 QRMC-3HS 位点中，其表达和DNA序列在不同基因型间存在显著差异，使其成为塑造根际微生物组的最强候选基因。子图 a: NLR基因的表达差异图表类型：箱线图，展示了该NLR基因在根组织中的归一化表达量。124_17 (精英型)：表达量极低（中位数接近0）。124_52 (野生型) 和 HID144 (野生亲本)：表达量非常高。Barke (精英亲本)：表达量也非常低。这将基因位点 (QRMC-3HS) 与候选基因 (NLR) 的表达表型联系起来，提供了第一个关键证据。子图 b: NLR基因的蛋白结构域预测，根据RNA-seq数据推断出的该NLR基因的转录本结构及其编码的蛋白质结构域。NB-ARC：典型的NLR蛋白核心信号转导结构域。LRR：富含亮氨酸重复序列，负责识别特定的病原体分子。Ankyrin重复：蛋白质相互作用结构域。其他结构域（如BTB/POZ等）提示这可能是一个非典型、功能复杂的NLR基因，从功能上证实这确实是一个NLR类型的免疫相关基因。黑色箭头指示了用于设计PCR标记的位点，位于LRR和Ankyrin结构域之间的内含子中，为子图c提供了铺垫。子图 c: 基因型的DNA水平验证，方法：使用针对子图b中黑色箭头所指区域设计的引物，对不同大麦基因型进行PCR诊断。结果：所有携带精英等位基因的品种（如Barke, 124_17, Golden Promise等）都无法扩增出条带（结果为阴性）。所有携带野生等位基因的品种（如HID144, 124_52, Morex等）都能扩增出一条清晰的~200bp的DNA条带（结果为阳性）。说明在DNA水平上证实了精英等位基因和野生等位基因之间存在一个巨大的结构差异（很可能是精英等位基因在此处存在一个大片段的缺失，导致引物无法结合，从而PCR失败），解释了子图a中的表达差异：精英等位基因由于结构变异（如缺失）导致基因功能丧失，因此不表达；而野生等位基因结构完整，因此正常高表达。

A prerequisite先决条件 to exploiting soil microbes for sustainable crop production is the identification of the plant genes shaping microbiota composition in the rhizosphere