芽孢杆菌是诱导抗性玉米品种代谢防御茎基腐病的核心菌群
玉米茎基腐病corn stalk rot（CSR）是由镰刀菌、卵菌以及部分细菌引起的一种土传病害，病原菌通过自然孔口或伤口侵入维管束，影响水分和营养物质的运输，最终导致植物枯死。由于病原菌种类繁多，侵染途径也存在地理差异，传统的田间管理措施防控效果有限。在复杂的环境中找到合适的亲本资源并获得稳定的抗病基因有很大难度。因此，有必要寻找更加绿色的环境友好型的防治方法。
今天解读的文献是2024年8月发表在《Microbiome》期刊上题为“Bacillus species are core microbiota of resistant maize cultivars that induce host metabolic defense against corn stalk rot”的文章，研究人员在一个具有丰富遗传背景的玉米群体中观察到了对CSR的抗病差异。他们推测，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。通过对CSR抗/感病的玉米品种进行多组学分析鉴定到了与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。同时研究发现，抗CSR的玉米品种招募了包括生态位抢占、抗菌化合物分泌和无抑制作用（诱导玉米合成小檗碱从而防控CSR的发生）的三种拮抗类型的芽孢杆菌来抵抗禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）。这一研究内容为CSR的绿色防控提供新的思路。
结果分析
特定的隔室和CSR抗性驱动相关细菌群落的组装
本试验首先通过连续两年大田调查，从527个玉米群体中初步筛选出40个具有CSR抗/感表型的玉米品种。选择4个抗病品种和4个感病品种进行苗期盆栽试验，验证土壤微生物组对抗CSR品种的重要性。研究结果表明具有CSR抗病表型的玉米品种在自然土壤中的病情指数均显著低于经灭菌后的相同土壤，表明土壤中的微生物在抗病玉米品种抵御CSR过程中发挥重要作用。
作者分别从4个CSR抗病和4个CSR感病玉米品种的五个隔室收集样品来分析CSR抗/感玉米品种的微生物群落差异，五个隔室分别为大块土壤（BS），根际土壤（RS），根内（RE），茎内（SE）和种内（GE）。首先，作者通过线性混合模型（LMM）确定了隔室是影响细菌和真菌多样性的最主要因素。同时发现CSR抗病影响发生在特定的隔室，又通过β-最近分类指数（βNTI）明确CSR抗病品种对细菌的组装具有确定性影响。作者还发现，不同的隔室中组装确定和随机的比例存在差异。抗CSR品种RE和SE隔室中细菌群落中确定性组装的比例更高。每个隔室中CSR抗病和CSR感病样品之间的细菌和真菌群落存在显著差异。总体而言，这些结果表明玉米隔室和CSR抗/感病状对微生物群落的组成具有强烈的选择性影响。
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
共现网络揭示了抗CSR玉米品种根相关隔室中较强的细菌-真菌相互作用
作者通过构建细菌-真菌跨界共现网络来研究玉米CSR抗/感病性状是否以及如何影响玉米微生物互作网络的复杂性和稳定性。首先，玉米内部样品中的节点数（N）显著低于土壤样品。抗病品种根（RE和RS）的节点数、边数要比感病品种的更多、连通度和平均连通度也更高。RE和RS中细菌-真菌网络的拓扑结构更加复杂，表明抗CSR品种根际微生物间的相互作用更强。但在茎中（SE）观察到CSR感病品种具有更强的互作关系和更高的连通度。作者又分析CSR抗病品种和CSR感病品种的稳定性状况，结果显示在抗CSR和感CSR品种中，网络脆弱性略有增加，组成稳定性和节点持久性沿着自下而上的隔室下降。综上所述，寄主植物的隔室和CSR抗/感性状极大地影响细菌-真菌相互作用。
图2 | 不同隔室微生物跨界互作网络
芽孢杆菌在自下而上的隔间中被招募
为了明确抗CSR抗病品种的核心微生物群，作者对玉米的细菌和真菌群落的组成进行了综合分析。变形菌门和放线菌门是微生物群落中绝对优势类群。此外，还通过对ITS扩增子数据分析得到，禾谷镰孢菌在RS、RE和SE隔室中受到显著抑制。又通过差异分析鉴定了抗、感群体中的与CSR抗性相关的微生物类群，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隔室中表现显著差异。抗病品种更倾向于募集芽孢杆菌，同时在RS、RE和SE隔室中显示出一致的更高丰度。经线性判别分析（LEfSe），芽孢杆菌可作为抗CSR玉米品种的生物标志物。因此，作者选择芽孢杆菌作为抗CSR品种的候选核心分类群，并展开了一系列的验证实验。
图3 | 微生物群落组成和候选核心抑病微生物群
芽孢杆菌属增强了玉米对禾谷镰刀菌的抗性
作者使用梯度稀释法从抗CSR品种的根际土壤中纯化了276株细菌菌株，根据16S rRNA测序结果，将这些菌株分为17个科，其中芽孢杆菌属62个。此外，作者还通过芽孢杆菌的特异性培养方法获得了694个分离株。两种方法得到的756株芽孢杆菌可聚为28个亚群，从28个亚群中随机选择44个分离株进行基因组测序和蛋白预测。基于上述结果，使用CVTree方法构建系统发育树，将44个分离株分为了12个芽孢杆菌种。经平板对峙实验，获得了3种拮抗表型的芽孢杆菌（生态位抢占、抑菌化合物的潜在分泌和无抑制作用）。
作者根据上述芽孢杆菌的拮抗表型差异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）。研究不同合成菌群对玉米苗期CSR发病的影响，。盆栽试验结果表明，这三个合成菌群处理均显著降低了苗期玉米的CSR发病率。
为了解析寄主相关的抗病机制，测定了 3种不同类型的合成菌群处理后的玉米根中基因的表达情况。基于所有基因的PCoA分析显示SC处理没有大范围地改变玉米根中的基因表达，而基于差异基因和功能相关基因的PCoA分析显示SC-III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。三种SC都抑制WRKY33同源基因的表达，有利于诱导防御相关基因。作者又通过RT-qPCR验证了上述基因的表达模式。
图4 | 芽孢杆菌分离株的树状图及其对镰刀菌的抑制活性
异喹啉生物碱在抗CSR品种中富集并抑制CSR
作者通过非靶向代谢组测序，来研究CSR抗/感玉米根系微环境的生化组成是否存在差异。通过PCoA分析，在CSR抗/感病玉米样本间，RS和RE代谢物存在显著差异（图5C）。作者分别在RE/RS样品中鉴定存在显著差异的代谢物，分别鉴定到947和124种，表明RE和RS隔室中存在不同的生化微环境。这与转录组学数据保持一致（图4H），小檗碱及其异喹啉前体在RE隔室富集（图5D）。平板试验结果表明，小檗碱浓度越高对禾谷镰刀菌的菌丝生长抑制效果越好（图5E）。用25%的小檗碱处理玉米幼苗，能够显著降低CSR的发病程度（图5 F）。
图5 | 异喹啉生物碱参与CSR疾病抑制
结论
作者通过多组学分析结合试验验证，最终发现了抗CSR玉米品种在不同的隔室中对微生物群落的组装的影响存在差异。同时还证明了芽孢杆菌属是抗CSR玉米品种微生物群的核心菌群。同时明确了部分芽孢杆菌虽然不能直接抑制病原菌生长，但它们能够特异性地诱导寄主生物合成小檗碱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。
原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39180084/
