【原】小组成果：根系分泌物通过募集有益微生物来介导植物防御叶面病原菌

微生信生物 2021-01-16

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解读谢鹏昊

本文是沈其荣老师组袁军老师最近online于中国土壤微生物生态快报上，虽然目前没有分数，但是相信国产期刊会迎来一波浪潮。我也很荣幸做了这篇文章的第一作者。

根系分泌物通过募集有益微生物来介导植物防御叶面病原菌

Root exudates mediate plant defense against foliar pathogens by recruiting beneficial microbes

第一作者：
文涛（博士在读）
通讯作者：袁军（副教授）
南京农业大学沈其荣老师带领的有机肥团队 Jiangsu Provincial Key Lab for Organic Solid Waste Utilization, National Engineering Research Center for Organic-based Fertilizers, Jiangsu Collaborative Innovation Center for Solid Organic Waste Resource Utilization, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China

摘要

植物能够在叶片病原体入侵后释放特定的根系分泌物包括长链脂肪酸，氨基酸，短链有机酸和糖以募集有益的根际微生物。长链脂肪酸和氨基酸的应用与土壤遗留效应相关联，在未来植物遭遇病原菌时可增强其抵御能力，但所涉及的机制在很大程度上仍然未知。我们使用长链脂肪酸和氨基酸（L + A） 或 短链有机酸和糖（S +S）对土壤进行了处理，以研究此类分泌物对土壤微生物组结构和功能的直接作用。L + A处理招募了更多数量的变形杆菌，这些细菌进一步被确定为鞘氨醇单胞菌，假单胞菌，Roseiflexus和Flavitalea属的成员。从这些组中分离了富集的细菌菌株，确定了十种假单胞菌菌株，它们能够帮助宿主植物抵抗叶病原体感染。进一步的研究表明，L + A处理可促进这些假单胞菌菌株的生长。总的来说，我们的数据表明，由叶病原体感染刺激的长链脂肪酸和氨基酸可以募集特定的假单胞菌种群，从而有助于保护寄主植物或后代植物。

引言

举例论证根系分泌物的重要性：在面对胁迫时，可以改变分泌物的组成来积极应对胁迫；调节植物-植物、植物-昆虫的互作；维持并塑造其根际的微生物群落；

介绍了在面对病原菌时，根系分泌物的作用。通过调节根系分泌物的组成来招募特殊有益菌抵御病害；及时没有遭遇病害，也可以通过有益的微生物来增强其抗性。其中根系分泌物的长链脂肪酸，氨基酸已被证明可以招募有益微生物。

这项研究通过鉴定出植物在叶片感染后招募的微生物，并对其微生物群落组成进行模拟，分析其在诱导抗性所产生的作用。最终确定特定的分泌物与菌群的募集相关联。

结论

3.1 模拟的根际分泌物对群落的影响

添加两种模拟的分泌物后，进行16S测序，结果显示:L+A 处理ASV数量480至642， S + S处理ASV数量303至487，水以及对照处理分别为313至589.所有处理中，主要的ASV为念珠菌（29.1％），变形杆菌（25.6％），蓝细菌（15.7％），酸性杆菌（6.0％），拟杆菌（5.6％）和放线菌（7.6％）。不同的分泌物添加对细菌的群落组成有显著影响， S + S处理增加了Candidatus_Saccharibacteria的相对丰度，L+A增加了Proteobacteria的相对丰度，所有处理与对照相比均降低了Cyanobacteria的相对丰度。

通过PCOa分析，与对照相比，两种处理的微生物群落发生了显著变化（p=0.001）.与水相比，添加氨基酸和长链脂肪酸增加了土壤细菌群落的α多样性，而添加糖和短链有机酸则降低了细菌多样性。

与对照土壤相比，总共有22种ASV在L + A处理中相对富集，但在S + S处理中却相对减少。总的来说，L + A分泌物影响了一般细菌群落组成，同时也招募了一系列特定细菌。

3.2 微生物的分离及其对叶面病原菌的影响

据系统发育分析，在选择用于进一步分析的156个具有独特形态的细菌菌落中，有23个被确定Sphingomonas and Pseudomonas。进一步实验通过将分离的23株菌施用于无菌植株，检验其是否诱导叶面菌抗叶感染的能力。十种分离株在拟南芥中显示出降低疾病发生率的能力。

3.3 根系分泌物对分离植株的影响

为了进一步研究具有诱导叶病原体抗性能力的菌株是否受到特定分泌物的影响，我们研究了分泌物对上述十种菌株生长的作用。L + A促进了菌株P14和P90的生长，而S + S却抑制了该菌株的生长（图3A）。L + A和S + S处理中，菌株P89和P137的生长均优于对照（图3A）。P30菌株仅由L + A促进，而P103菌株被L + A和S + S处理抑制（图3A）。其他四种菌株（P29，P17，P69和P34）不受分泌物的影响。

3.4 分泌物对菌株的趋化作用

我们测试了这些化合物是否可以募集分离的菌株。结果表明，L + A处理可以显着募集菌株P14，P30，P103和P34，而S + S只能吸引P103和P34。于S+S 相比，L+A对P90有强烈的募集作用。两种分泌物均不能吸引P89 P90. 与S + S相比，L + A对分离株具有更强的募集作用，而S + S对某些分离株（如P14，P90，P30，P29和P69）具有驱避作用。

讨论

我们先前发现叶病原体（Pst）感染诱导了长链脂肪酸和氨基酸的在根部的分泌，并且进一步发现，这两组化合物的大概是通过帮助募集有益微生物促进宿主植物的系统抗性。结果显示，长链脂肪酸和氨基酸的添加，通过增加变形杆菌的比例，显着改变了土壤细菌群落的组成。相反，糖和短链有机酸的添加增加了Candidatus_- Saccharibacteria 的比例（图1）。我们还发现Sphingomonas, Pseudomonas, Roseiflexus, and Flavitalea相对比例在施用长链脂肪酸和氨基酸时增加，在添加糖和短链有机酸的处理中而降低，这些结果与我们之前的结果相符。

已经发现不同的根系分泌物影响特定土壤微生物的培养。同样，在叶片病原体感染下，过量产生的长链脂肪酸和氨基酸可以吸引并促进某些假单胞菌菌株的生长（图2）。相反，糖和短链有机酸未显示出对有益微生物生长的促进和补充。应当指出的是，我们的研究仅能检查一定范围的菌株，因此，有必要进行进一步的研究以确定重要的促进植物生长的细菌群和促进生长的全部机制。