文章题目：Fusaric acid mediates the assembly of disease-suppressive rhizosphere microbiotavia induced shifts in plant root exudates
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-49218-9
发表时间：2024-06-15
发表期刊：Nature communications
IF：14.7
植物根际是植物与各种微生物动态互动的地方，这些微生物从病原体到共生菌和互利共生菌都有。土壤传播的病原体是植物健康和生存的主要威胁，也是农业中造成重大经济损失的原因。尤其是由尖孢镰刀菌引起的植物病害-尖孢镰刀菌萎蔫病，在多种作物系统中是一个重要的产量限制因素。这种病原体感染始于无症状地侵入宿主根部，然后在木质部导管中定植，并进一步向地上植物组织移动，导致植物逐渐枯萎。在植物防御方面，除了生理反应外，植物根际还含有多种有益微生物，其中特定的分类群能够促进植物的耐受性。这可以通过多种机制实现，如抗生物质、生态资源与营养物质竞争和诱导系统抗性。因此，植物健康状况取决于宿主植物代谢、病原体攻击和根际有益微生物之间的相互作用。
我们最初测试了两种番茄品种（Z19和D72）在自然（存在土壤微生物群）或无菌土壤（不存在土壤微生物群）中受到FOL（番茄早疫病）挑战时的性能。结果显示，品种Z19对FOL的抵抗力大于品种D72（Tukey的HSD检验，P<0.05；图1a）。在自然土壤中，抗病品种的病情严重度和病原体密度低于无菌土壤（Tukey的HSD检验，P<0.05；图1a和补充图1），而在感病品种中，这两种条件下没有显著差异。通过计算在自然和无菌土壤中生长的植物病情严重度的差异，我们发现微生物群介导的抗病性在抗病品种中大于感病品种。
我们使用了一种分根系统来隔离FOL对番茄根际微生物群的直接和间接影响（图1c和补充图2a、b）。为此，将番茄植株移植到两个花盆中，部分根系在每个花盆中生长。根系的一部分被接种了FOL（局部盆栽），另一部分未接种（系统性盆栽）。对于对照组处理，根系的两侧均未处理。简而言之，抗性品种和敏感品种在FOL接种后的第十五天和第九天出现病害症状（补充图2c）。在感染的早期阶段（即FOL接种后的六天），FOL仅在接种的局部盆栽中被检测到，而在系统性盆栽中未检测到（补充图2d）。在这个感染阶段，通过根际移植实验测试了根际微生物群对病害的抑制性（补充图2a和图1c）。我们使用添加了来自系统性盆栽的根际样本（6% w/w）的无菌田间土壤，以避免FOL的转移，并培养了一代新的番茄植株，当它们60天大时感染了FOL。在这里，我们发现，当敏感品种移植了之前感染敏感植株的根际样本时，病害严重程度和FOL丰富度更高（Tukey的HSD检验，P<0.05；图1d和补充图3a）。相反，当植株移植了之前感染抗性植株的根际样本时，抗性品种的病害严重程度和FOL丰富度显著降低（Tukey的HSD检验，P< 0.05）。此外，当植株移植了之前感染抗性植株的根际样本时，敏感品种的病害严重程度和FOL丰富度也较低（Tukey的HSD检验，P< 0.05；补充图3b）。
为了测试FOL感染是否会系统性地改变番茄根际微生物群，我们使用细菌16S rRNA基因扩增子测序对接种FOL的系统盆栽中根际细菌群落进行了分析（图1c）。结果表明，番茄品种、FOL侵染及其相互作用可以显著解释细菌群落β-多样性的变化(双向置换多变量方差分析PERMANOVA，品种R2 = 0.220, P < 0.001；FOL感染R2 = 0.118, P < 0.01；交互效应R2 = 0.126, P < 0.01；图2 a)。在操作分类单位（OTUs）水平上，FOL感染导致36个OTUs的相对丰度较高（即系统盆栽比非接种对照高）（感病品种29个，抗性品种17个），而30个OTUs的相对丰度较低（即系统盆栽<非接种对照）（感病品种24个，抗性品种7个）(Wald检验，Benjamini-Hochberg调整P < 0.01；图2b）。与此相反，FOL侵染使敏感品种的溶杆菌属（Lysobacter sp.）OTU 1个、鞘氨单胞菌属（Sphingomonas sp.）OTU 3个、黄杆菌属（Flavobacterium sp.）OTU 2个消失。通过对两个品种的比较，我们发现一些OTUs对FOL感染的相对丰度变化存在较大差异：3个OTUs （Lysobacter sp. OTU3848、Sphingomonas sp. OTU1379和Sphingobium sp. OTU4099）在敏感品种中减少，而在抗性品种中增加，2个OTUs （OTU797和OTU2383， Burkholderiaceae）在敏感品种中增加，而在抗性品种中减少(Wald检验，P < 0.01；图2b和补充图4)。在属水平上的进一步分析证实了鞘氨单胞菌属、鞘氨单胞菌属和溶菌属在敏感品种与抗性品种之间的变化(Wald检验，P < 0.01；补充图5a)。
镰刀菌酸改变番茄根际微生物群的组成
为了评估FA是否会改变番茄根际细菌群落，我们根据修正的实验对系统盆栽进行了分析（图1g）。结果表明，番茄品种、FA修正及其交互作用显著解释了细菌群落β-多样性的变化（双向永久型，品种R2 = 0.204，P < 0.001；FA R2 = 0.138，P < 0.001；交互作用效应R2 = 0.114，P < 0.01；图2c）。在本实验中，我们将OTUs（用FA进行修正）指定为FA。OTUs。特别是溶菌杆菌属、鞘根菌属、鞘醇单胞菌属和属于这些属(即FA OTU2652, FA OTU2838，和FA OTU993)在敏感品种中的相对丰度降低，而在抗性品种中的相对丰度增加（Wald检验，P < 0.01；图2d）。当比较对FA修正有反应的细菌属与对FOL感染有反应的细菌属时，我们发现了证实的结果（图5a）。
例如，FOL接种植株中增加的9/16和8/14属，在敏感和抗性品种中由于FA修正也有相似的反应。同样，在接种FOL的植物中，相对丰度较低的14/30和3/8属，在敏感和抗性品种中，由于FA的修正也有相似的响应（图5b）。最后，测序数据的共聚类显示，FOL和FA降低了溶菌、鞘根菌和鞘单胞菌相同OTUs的相对丰度，并增加了这些OTUs的相对丰度（图6）。
作用于疾病抑制的有益细菌分类群的验证
我们从番茄根际共分离并鉴定了573个细菌分离株，重点分析了于黄杆菌属(6个分离株)、节杆菌属(6个分离株)、链菌属(10个分离株)、溶杆菌属(5个分离株)、鞘根菌属(5个分离株)和鞘醇单胞菌属(7个分离株)的细菌分离株(图3a):除一个黄杆菌、一个节杆菌和两株链霉菌分离株外，大多数分离株具有减轻两个品种枯萎病症状的能力（Tukey‘s HSD检验，P < 0.05；图3b，c）。特别是，被测的鞘氨醇单胞菌菌株在所有被测菌株中疾病抑制作用最大（Tukey’s HSD试验，P < 0.05）。链霉菌菌株-均能减轻两个品种的枯萎病症状(Tukeys HSD试验，P<0.05;/3b,c)。特别是，供试鞘氨醇单胞菌分离株在所有供试分离株中具有最大的疾病抑制(Tukey的HSD检验，P<0.05)。
我们进一步选择每个属的一个分离物，其与它们相应的OTU序列最按近地定位:即，黄杆菌属F179(OTU3288)，节杆菌属Ar03(OTU1254)，链霉菌属St81(OTU1313)，溶菌杆菌Ly56(OTU3848.99.77%)，鞘氨酵菌Sb87(OTU4099)和鞘氨醇单胞菌居(Sphingomonas sp.)Sm12(OTU1379)(图3a)。使用这些选择的分离株构建合成群落(SynCom)，并在盆裁实验中测试其促进枯萎病抑制的潜力(图3d)。此外，我们进行了脱落SynCom(不包括来自该SynCom的所有可能的单个分离株)，以检测每种分离株对疾病制的影响。完整的SynCom使感病品种和抗病品种的枯萎病严重程度分别降低了65.51%和84.39%(Tukey'sHSD检验，P<0.05:图3d)。一致地观察到，脱落的SynComs实验表明，除抗性品种中的分离株F179外，抗病品种的病害抑制率较低。此外，这些实验还发现了鞘氨醇单胞菌属，Sm12对疾病抑制具有最大作用。这与体外观察结果一致，其中当在马铃葡萄糖琼脂培养皿上共培养时，仅Sm12对FOL具有拮抗活性(图3a)。
FOL通过分泌FA调节Sphingomonas sp.在根际的定殖
FOL和FA通过诱导番茄根分泌物变化介导鞘氨醇单胞菌的根定植
此外，FA处理导致感病品种中镰刀菌酸和木糖浓度较低，而在抗性品种中浓度没有降低；除了在抗性品种中增加α-番茄胺、芦丁、色氨酸和酪胺，而在感病品种中没有（图10c）。进一步的体外实验发现，镰刀菌酸、木糖、α-番茄酸、色氨酸、芦丁、酪胺和酪氨酸（10μM）刺激Sm12的生长和生物膜形成（Tukey‘s HSD试验，P < 0.05；图5d和补充图10d）。最后，无论感染或未感染FOL的两个品种的根系分泌物对FOL的生长、FA的产量和FUB1基因的表达都有相似的影响（图11a）。此外，FA的修正并没有导致番茄根系分泌物的变化，并可能对FOL生长、FA产量和FUB1基因表达产生后续影响（图11b）。
