首页 > 分享 > 【LorMe成果】土壤生物障碍发生的根际微生物组诊断

【LorMe成果】土壤生物障碍发生的根际微生物组诊断

花匠小妙招
2024-11-12 05:58

2022年07月22日，南京农业大学资源与环境科学学院沈其荣院士带领的LorMe实验室在利用根际微生物组分变化以预测早期土传青枯病害方面取得重要进展，成果以《Small changes in rhizosphere microbiome composition predict disease outcomes earlier than pathogen density variations》发表于《the ISME Journal》。该研究发现宿主植物早期能够快速分异出不同抑病程度的根际微生物组以应变后期土传青枯病害的侵染，提前预测了病害的发生。揭示了宿主早期对于病原菌入侵的防御机制，证明早期的干预对植株后期微生物组具有重大影响，基于微生物组的病害诊断及植物病害防控具有重大发展潜力。

概览大多农田土壤都不同程度地被植物病原体侵染。土壤传播的病原体可以在感染新宿主之前在土壤中潜伏数年。了解病害动态对于防止病原体传播至关重要。在病害爆发的过程中，植株个体要么保持健康，要么病重并死亡。这种二元结果常归因于土壤病原菌的密度分布、病原体遗传背景、土壤理化性质以及宿主植物基因型等异质性因素。然而，我们发现同质性条件下也会出现二元结果。病原体感染通常具有密度依赖性，但土壤均质化可消除病原体变异。因此，需要新方法实现均质条件下的早期病害诊断，以便在病害爆发之前采取预防措施。众所周知，根际微生物组在植物发育过程中扮演着重要的角色，影响着植物健康与可持续发展，微生物组诊断可以提供一种可能的解决方案。基于此，我们对均质化的青枯菌侵染土壤中的番茄植物进行了整个生长季的观测。通过非破坏性采样系统，能够在植株个体出现枯萎病症状之前持续评估其相关微生物组组装（图1D）。我们记录了植物的健康状况，对根际土壤进行采样，测量土壤理化性质，量化土壤病原体丰度，分析细菌群落组成，并确定了病程相关的微生物类群（图1E）。鉴于根际细菌之间的密切相互作用关系，我们预计微生物组组装可能随时发生分异，并从最初均质的土壤群落中组装成一系列替代状态，进一步推测微生物组分异会改变与入侵病原体的竞争性相互作用，从而导致植物发育后期病情发展的差异（图1C）。

图1 科学假设与试验设计

结果01Pantone长春花蓝番茄青枯病普遍存在二元发病结果

根据2010年至2020年间发表的132项观察结果的数据集，我们发现番茄青枯病在温室实验中的发生率平均为71.4%（图2A）。重要的是，在132次中的105次温室观测中，即使在高丰度病原菌压力下，部分植物仍保持健康。这表明即使在均质条件下二元病害结果仍普遍存在。本实验中，我们发现最早的青枯病症状出现在RS1（生殖阶段初期），随后几周发病率急剧上升（图2B）。试验结束时，根据植株的萎蔫症状和茎基部的病原菌密度（图2C），将植株分为病株（n=27）、潜伏侵染株（n=14）和健康株（n=13）。与潜伏感染的植物相比，感病植株的茎基部组织中检测到青枯菌数量显著增加（高4.8倍，p < 0.001）（图2C）。

图2 病原菌侵染条件下番茄个体发病结果的比较02

番茄根际微生物群落组成的分异可预测病害发生

与发病率相似（图2B），青枯菌在健康和感病植物中的丰度一直很低，直到生殖阶段突然增加（图3A）。青枯菌丰度在RS1之前没有显著差异，其中病株根际青枯菌丰度高于健康植株（1.3倍，p = 0.016，图3A）。在植物的不同发育阶段，根际细菌群落出现显著聚类。VS2（营养生长阶段）的健康和感病番茄植物之间细菌群落组成开始出现显著差异（图3D），比病原体密度分异提前2周（图3E）。尽管如此，健康和感病植物之间的α多样性仅在RS2处观察到显著差异（p < 0.001，图3C）。

图3 均质土壤微生物群落迅速分异并影响病害发生

病程相关微生物类群的鉴定

我们对植物每个发育阶段与病程相关的微生物类群进行了分离与鉴定。结果发现，差异OTU（占OTU总数的0.1-4.5%）和属（占总属数0-16.8%）的数量随植物生长不断增加（图4A、B）。这表明发生于VS2微生物组组成的差异可能是由于之前已经发生的事件引起。因此，微生物群落组成的不同状态可能反映了群落组装的初始变异。特别地，在VS2中，健康植物大量富集的OTU（80.2%）为变形杆菌（图4C），其中显著富集的22个属包括12个变形杆菌类群（图4D），而感病植物中富集的OTU大都属于拟杆菌门（20.4%）和疣微菌门（18.5%）。

图4 微生物群落分异时健康植株富集的潜在抑病微生物类群

为测试VS2中健康植物富集的根际细菌是否有助于病害抑制，从VS2（27 dap）的番茄根际中分离出137个细菌菌株。137个分离菌株均与31个OTU匹配，其中5个OTU植物健康相关（图4C、E）。我们以分离的菌株进一步进行了温室防病实验，测试其对青枯菌的抑制作用。结果发现，与对照相比，5个OTU/菌株显著降低了青枯病的疾病指数（p < 0.01），五个菌株将疾病指数降低了30.4~100%，其中OTU_168（P. defluvii）、OTU_554（B. petrii）和OTU_660（B. nealsonii）的效果显著（p < 0.05，图4G）。我们还随机选择了10个OTU/菌株，5个OTU/菌株显示出比随机选取的10个OTU/菌株更高抑病能力（p < 0.001，图4F）。总之，这些结果验证了在VS2健康植物富集OTU的抑病能力。此外，我们发现5个抑病分离株中4个（OTU_61、OTU_168、OTU_660和OTU_1400）可直接抗病。值得一提的是，OTU_554对病原菌的生长无直接抑制作用。这表明OTU_554可能通过诱导植物免疫等间接效应降低青枯病的发生率。综上，微生物组微小变异可以在病症出现之前预测病害结果，并可以利用分异的根际微生物组的特定类群成员来抑制病害发生。结论均质条件下，土传植物病原体侵染通常表现出二元结果。然而，该现象的潜在机制仍然很大程度上未被充分探索。我们发现，最初均质的土壤微生物群落可形成不同的根际微生物群落，根际微生物群落分异继而对植物健康产生影响。众所周知，病原体丰度被广泛用作病害发展的预测指标。然而，当检测到高病原体密度时，病情控制通常为时已晚。因此，需要在病原体爆发之前进行病害诊断，而早期预测因子对控制病害至关重要。在这项研究中，我们的结果表明，根际微生物组在幼苗期就具备了潜在的抑病能力。在这种情况下，群落组成的这些变化使我们能够比病原体密度的明显变化更早地预测病害的发生。微生物组装过程中的这种快速分异为研究疾病动力学提供了新的思路，并为微生物组诊断和调控微生物组以驱动植物抗病性提供了新途径。

全文链接：

https://www./articles/s41396-022-01290-z