期刊：ISME
影響因子：11.217
發(fā)表時(shí)間：2022
樣本類(lèi)型：番茄根際土壤
客戶(hù)單位：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)
大多農(nóng)田土壤都不同程度地被植物病原體侵染。土壤傳播的病原體可以在感染新宿主之前在土壤中潛伏數(shù)年。了解病害動(dòng)態(tài)對(duì)于防止病原體傳播至關(guān)重要。即使在同質(zhì)條件下，面對(duì)土壤傳播病原體的植物也往往表現(xiàn)出二元結(jié)果，個(gè)體要么保持完全健康，要么發(fā)展出嚴(yán)重到致命的疾病癥狀。由于根際微生物組是植物健康的主要決定因素，因此假設(shè)這種二元結(jié)果可能是由于根際微生物組組裝的早期分化導(dǎo)致的，這可能進(jìn)一步級(jí)聯(lián)成不同的疾病抑制能力。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
本研究對(duì)自然均質(zhì)土壤中生長(zhǎng)的番茄植株進(jìn)行了縱向研究，即番茄植株生長(zhǎng)在被土傳細(xì)菌病原體Ralstonia solanacearum侵襲的天然但均勻的土壤中。通過(guò)使用無(wú)損采樣系統(tǒng)早在青枯病癥狀出現(xiàn)之前，定期評(píng)估每個(gè)植物的微生物組組成（圖1D）。記錄植物健康狀況，取樣根際土壤，測(cè)量了土壤理化性質(zhì)，定量了土壤病原體豐度，細(xì)菌群落組成，并確定了與疾病結(jié)果相關(guān)的鑒別類(lèi)群（圖1E）。圖1科學(xué)假設(shè)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1、番茄青枯病普遍存在二元發(fā)病結(jié)果
根據(jù)2010年至2020年發(fā)表的132項(xiàng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)番茄青枯病的發(fā)病率在0~100%之間，在溫室試驗(yàn)中平均為71.4%（圖2）。最早的青枯病癥狀傾向于出現(xiàn)在RS1（生殖階段初期），疾病發(fā)病率在接下來(lái)的幾周內(nèi)急劇增加。在溫室實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，根據(jù)枯萎癥狀和莖冠中的病原體密度，將植株分為患病（n = 27）、潛伏感染（n = 14）和健康（n = 13）三類(lèi)。與潛伏感染的植株相比，在患病植株的根莖組織中檢測(cè)到R. solanacearum的數(shù)量顯著增加（高4.8倍，p < 0.001）。圖2比較番茄個(gè)體在病原菌脅迫下的病害發(fā)展結(jié)果2、微生物組組成的差異預(yù)示著疾病的結(jié)果
與疾病發(fā)病率相似，在健康和患病的植株中，R. solanacearum的豐度仍然較低，但在繁殖階段突然增加（圖3）。在RS1之前，土壤中與疾病結(jié)果相關(guān)的R. solanacearum的豐度沒(méi)有顯著差異，與健康植株相比，在患病植株的根際中檢測(cè)到的R. solanacearum數(shù)量更高（1.3倍, p = 0.016）（圖3A）。根際土壤的理化性質(zhì)在植物發(fā)育階段表現(xiàn)出演替模式，但這些模式與疾病結(jié)果無(wú)關(guān)。在VS2（營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段）時(shí)，健康和患病番茄植株的細(xì)菌群落組成最初存在顯著差異（圖3D），比任何可檢測(cè)到的病原體密度變化提前2周（圖3E）。盡管如此，在健康番茄和患病番茄之間的群落alpha多樣性的顯著差異僅在RS2中觀察到（p<0.001）。圖3均質(zhì)土壤微生物群落迅速分異并影響病害發(fā)生3、鑒別與疾病發(fā)展相關(guān)的分類(lèi)群
鑒定了與每個(gè)植株發(fā)育階段的疾病結(jié)果相關(guān)的類(lèi)群，結(jié)果表明，這些鑒別到的OTUs個(gè)數(shù)（占總OTU個(gè)數(shù)的0.1-4.5%）和屬的個(gè)數(shù)（占總屬個(gè)數(shù)的0-16.8%）隨著植株發(fā)育的增加而增加（圖4A,B）。在VS2中，大部分（80.2%）健康植株中富集的OTUs是假單胞菌（圖4C），而大多數(shù)疾病植株中富集的OTUs是擬桿菌門(mén)（20.4%）、疣微菌門(mén)（18.5%）和未分類(lèi)的細(xì)菌（29.6%）。為了測(cè)試VS2健康植株中富集的根際細(xì)菌是否有助于疾病抑制，從VS2（27 dap）的根際土壤中分離出細(xì)菌。所有137個(gè)分離株均與31個(gè)OTUs匹配，其中5個(gè)OTUs與后來(lái)的健康植株相關(guān)。通過(guò)用分離的菌株接種植物進(jìn)一步進(jìn)行了溫室實(shí)驗(yàn)，以測(cè)試它們對(duì)青枯菌的抑制作用。與對(duì)照組相比，5株鑒別OTUs/菌株顯著降低了青枯病指數(shù)（p < 0.01）。同時(shí)隨機(jī)選取10個(gè)非鑒別的OTUs/菌株，用來(lái)隨機(jī)探討菌株的疾病抑制能力。結(jié)果表明，5株可鑒別的OTUs/菌株比隨機(jī)選擇的10株非鑒別的OTUs/菌株具有更高的疾病抑制能力（p < 0.001）。具體來(lái)說(shuō)，這五種菌株將疾病指數(shù)降低了30.4-100%。OTU_168（P. defluvii）、OTU_554（B. petrii）和OTU_660（B. nealsonii）的效果顯著大于對(duì)照（p < 0.05）（圖4G）。這些數(shù)據(jù)驗(yàn)證了一些健康植株豐富的OTUs在VS2時(shí)的疾病抑制能力。圖4在不同群落狀態(tài)形成時(shí)，健康植物中富集的類(lèi)群具有潛在的疾病抑本研究結(jié)果表明，最初均質(zhì)的土壤微生物群落可形成不同的根際微生物群落，根際微生物群落分異繼而對(duì)植物健康產(chǎn)生影響。眾所周知，病原體豐度被廣泛用作病害發(fā)展的預(yù)測(cè)指標(biāo)。然而，當(dāng)檢測(cè)到高病原體密度時(shí)，病情控制通常為時(shí)已晚。因此，需要在病原體爆發(fā)之前進(jìn)行病害診斷，而早期預(yù)測(cè)因子對(duì)控制病害至關(guān)重要。在這項(xiàng)研究中，作者發(fā)現(xiàn)根際微生物組在幼苗期就具備了潛在的抑病能力。在這種情況下，群落組成的變化能夠比病原體密度變化更早地預(yù)測(cè)病害的發(fā)生。微生物組裝過(guò)程中的這種快速分異為研究疾病動(dòng)力學(xué)提供了新的思路，并為微生物組診斷和調(diào)控微生物組以驅(qū)動(dòng)植物抗病性提供了新途徑。參考文獻(xiàn)
Small changes in rhizosphere microbiome composition predict disease outcomes earlier than pathogen density variations. ISME, 2022.
