芽孢杆菌是诱导抗病玉米品种代谢以抵抗茎基腐病的核心菌群

Article，2024-08-23，Microbiome，[IF 13.8]

DOI：https://doi.org/10.1186/s40168-024-01887-w

原文链接：

https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-024-01887-w

第一作者：Xiaxin Yao（夏信瑶），Qiuhe Wei（韦秋合），Hanxiang Wu（吴瀚翔）

通讯作者：Wende Liu（刘文德）

主要单位：

中国农业科学院植物保护研究所

中国农业大学

山东省农业科学院植物保护研究所

在陆生植物的每个部位中定植的微生物对维持作物健康是至关重要的。玉米茎基腐病(CSR)是影响玉米产量的一种全球性土传病害，但在病害发生时，宿主-微生物相互作用的机制在很大程度上仍未被明确。在这里，我们调查了CSR抗病和CSR感病玉米品种的微生物群落差异。研究发现，抗CSR的玉米品种重塑了根际微生物群，并招募了具有三种平板对峙表型的芽孢杆菌物种来对抗禾谷镰孢菌（Fusarium graminearum），包括生态位抢占、抗菌化合物分泌和无抑制作用。无直接抑制作用的芽孢杆菌分离株可诱导玉米通过诱导酪氨酸脱羧酶1（TYDC 1）表达促进小檗碱的合成，抑制CSR病害发生。目前的研究深入了解了玉米植物在CSR胁迫下如何与微生物组相互作用，为预防和治疗土传病原体奠定了基础。

玉米茎腐病是一种发生在全世界玉米种植区的土传疾病，由镰刀菌，卵菌以及细菌等引起。单一或多种病原体通过自然孔口或伤口感染根维管束，从而影响水分和养分的运输，最终导致植物枯萎死亡。由于病原体的种类繁多以及感染途径差异，常规的田间管理措施在疾病控制方面效果欠佳。虽然通过基因工程将抗病基因引入宿主植物可以降低病害的发生率，但目前在复杂多变的环境中找到稳定抗病基因仍具挑战性。因此，有必要从可持续绿色农业的角度确定更自然的防治方法。

最初，我们在田间观察到一个由527个具有温带、热带和亚热带遗传背景的玉米群体中观察到了对CSR的抗病差异。我们推测，CSR抗病和CSR感病的玉米品种的微生物群落可能也存在差异。在本研究中，对CSR抗/感的玉米品种进行了多组学分析，包括16S/ITS扩增子，宏基因组和基因组，转录组以及非靶向代谢组测序。鉴定到了玉米中与CSR抗病相关的核心微生物群，这些微生物群可以通过诱导异喹啉生物碱的合成来缓解病害胁迫，为开发针对土传病害的绿色生物防治技术提供了基础数据支持。

Specific compartments and CSR-resistance drive the assembly of associated bacterial communities

图1 | 玉米茎基腐病抗病性差异对5个隔室微生物群落组成和多样性的影响

（A）玉米抗和感病玉米茎外部表面和内部的表型。（B）取样示意图。（C）βNTI值。（D）确定与随机组装占比。（E）细菌Shannoon多样性。（F）真菌Shannoon多样性。（G）CSR抗病与感病品种间PCoA。

Co-occurrence networks reveal stronger bacterial–fungal interactions in root associated compartments of CSR-resistant maize cultivars 

图2 | 不同隔室微生物跨界互作网络

（A）抗病品种微生物网络。（B）感病品种微生物网络。（B）感病品种微生物网络。（C）通过Random removal计算的鲁棒性。（D）通过Targeted removal计算的鲁棒性。（E）微生物网络脆弱性。（F）微生物网络组成稳定性。（G）微生物网络节点持续性。

Bacillus tends to be recruited across bottom-up compartments

为了明确抗CSR抗病品种的核心微生物群，我们对玉米的细菌和真菌群落的组成进行了综合分析。门水平的微生物群落分析显示了隔室特异性（图3A）。变形菌门和放线菌门是绝对优势类群。值得注意的是，酸杆菌主要分布在两个土壤分区中，而放线杆菌在东南部土壤中所占比例较高。此外，还对ITS扩增子数据分析表明，禾谷镰孢菌在RS、RE和SE隔室中受到显著抑制（图3B）。我们首先通过差异分析鉴定了抗、感群体中的抗病相关类群，结果表明，芽孢杆菌属(Bacillus)、Granulicella、粘杆菌属(Mucilaginibacter)和泛菌属(Pantoea)在RS、RE和SE隔室中显示出显著差异（图3C）。与CSR感病品种相比，仅芽孢杆菌倾向于被募集，其在CSR抗病品种的RS、RE和SE隔室中显示出一致的更高丰度（图3D）。线性判别分析（LEfSe）进一步表明，芽孢杆菌可作为抗CSR玉米品种的生物标志物（图3E）。因此，我们选择芽孢杆菌作为抗CSR品种的候选核心分类群，并对其进行了一系列的验证实验。

The presence of Bacillus species enhances plant performance against F. graminearum

我们使用梯度稀释方法从抗CSR品种的根际土壤中纯化了276株细菌菌株，占RS样品中所有OTU的43%。根据16S rRNA测序结果，将276个菌株分为17个科，其中芽孢杆菌属62个。此外，我们还使用芽孢杆菌特异性方法获得了694个芽孢杆菌分离株。两种方法得到的756株芽孢杆菌可聚为28个亚群。我们从28个亚组中随机选择44个分离株进行基因组测序和蛋白预测。基于这些结果，我们使用CVTree方法，通过与4,215个芽孢杆菌标准基因组构建系统发育树，将44个分离株分为了12个芽孢杆菌种（图4A）。平板对峙结果表明，所有菌株共表现出3种拮抗表型：生态位抢占、抑菌化合物的潜在分泌和无抑制。

我们根据平板表型制作了三个合成群落（SC-I：抢占生态位；SC-II：分泌抑菌化合物；SC-III：无抑制）。我们研究了这些SC对玉米苗期发病的影响，（图4B）。盆栽试验结果表明，SC-Ⅰ、SC-Ⅱ和SC-Ⅲ都显著降低了苗期玉米的CSR发病率（图4C）。

为了从寄主侧了解其抗病机制，我们研究了3种不同类型的SC处理后玉米根中的基因表达变化。鉴定了293、387和171个差异表达基因（图4D）。基于所有基因的表达矩阵的PCoA显示SC处理没有大范围地改变玉米根中的基因表达（图4E），而基于差异基因（图4F）和功能相关基因（图4G）的PCoA显示SC-1和SC-II对玉米具有类似的影响，其不同于SC-III。SC-III，而不是SC-I或SC-II，特异性地影响与类倍半萜、异喹啉生物碱和甜菜素生物合成相关的玉米基因的转录（图4H）。值得注意的是，三种SC都抑制WRKY33同源基因的表达，这有助于防御相关基因的诱导（图5A）。我们通过RT-qPCR验证了上述基因的表达模式（图5B）。

Isoquinoline alkaloids are enriched in CSR-resistant cultivars and suppress CSR

为了研究玉米根系微环境的生化组成，本研究对CSR抗/感玉米进行了非靶向代谢组测序。在所有样本中，我们平均检测到1558种代谢物。基于Bray-Curtis距离矩阵的PCoA显示，在CSR抗病和CSR感病样本之间，RS和RE代谢物存在显著差异（图5C）。我们在RE样品中鉴定了947种显著不同的代谢物，在RS样品中鉴定了124种，表明这两个隔室中存在不同的生化微环境。与转录组学数据一致（图4H），小檗碱（一种天然异喹啉生物碱）及其异喹啉前体富集在RE隔室而不是RS隔室（图5D）。在平板试验中，随着小檗碱浓度的增加，禾谷镰孢菌的生长被分别抑制了37%、52%、54%和58%（图5E）。用小檗碱处理，显著降低了CSR的发病程度（图5 F）。

使用多组学分析和试验验证，我们发现CSR抗病宿主在其内部隔室中影响了的有生物群落的组装。我们还证明了芽孢杆菌属是抗CSR玉米品种微生物群的核心组成部分。虽然SC-Ⅲ处理不能直接抑制病原菌生长，但它特异性地诱导内源性异喹啉生物碱生物合成从而抑制病害的发生。这些发现加深了我们对芽孢杆菌作为核心微生物群在植物抑病中作用的理解，并为防治土传病害生物技术的开发奠定了基础。

Xia, X., Wei, Q., Wu, H. et al. Bacillus species are core microbiota of resistant maize cultivars that induce host metabolic defense against corn stalk rot. Microbiome 12, 156 (2024). https://doi.org/10.1186/s40168-024-01887-w