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作者：孙天宇，南京农业大学博士在读，主要研究核心链霉菌介导的根际抑病菌群互作与调控机制。 周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊介绍小麦连作与病原菌侵染条件下，植物根际可招募有益微生物并塑造特定根际微生物组，该研究为解决与植物病害和作物生产力相关的问题提供见解，原文于2021年发表在《Microbiome》上。
有益根际微生物通过提高植物养分利用率、产生植物生长激素以及抵御病原体的侵染等方式维持植物健康。然而，植物如何影响根际微生物群落很大程度上仍是未知的。本研究采用多循环选择系统以及在土传病原真菌（立枯丝核菌，Rhizoctonia solani AG8，以下简称AG8）入侵条件下，探究植物招募有益微生物并塑造根际菌群进而减弱病害发生以及促进自身生长的机制（图1）。结果表明，小麦的连续种植以及病原真菌的入侵，可以促使植物招募有益微生物并塑造独特的根际菌群，这种也有针对性的土壤微生物招募机制可能为解决作物生产力和植物病害相关的农业问题提供见解。
图1 小麦多周期种植筛选方案 星号为被使用于下一周期的小麦根际土壤；CK:不接种AG8的小麦；B (Bad)：根部病害严重的小麦；G (Good)：根部病害轻微的小麦；M (Moderate)：根部病害中等的小麦 一、土壤细菌群落结构与组成 在第一个种植周期（周期1，图2）中，接种AG8处理与未接种AG8的小麦相比，出现了严重的发育迟缓和根系损伤。与对照相比，受AG8侵染的植株，在第二个周期仍表现出严重的根系损伤和茎部发育不良（图2）。然而从第五个周期开始，与“B”处理相比，在“G”处理中表现出较强的疾病抑制，并在重复中观察到疾病症状的差异。为了减少这种重复中的差异，共进行了9次周期，在第9个周期中“G”和“B”处理中都显示出明显的疾病抑制现象。“G”和“B”处理间的差异在不断减弱，在周期9中植株的鲜重和株高无显著差异并且在重复中也很稳定。在周期1中，对AG8侵染（R）和未侵染对照（CK）的根际土样进行土壤微生物特征分析，在第2个和第9个周期中，对“G”和“B”处理和对照“CK”中进行土壤微生物特征分析。其中，细菌群落以变形菌门，拟杆菌门和放线菌门为主（图3a）。最丰富的科为噬几丁质菌科，科鞘氨醇杆菌科，草酸杆菌科，黄单胞菌科，假单胞菌科和肠杆菌科（图3b）。
图2 不同周期的小麦地上部株高和鲜重 a：小麦鲜根的长度；b：小麦鲜重；CK：未受AG8侵染的小麦鲜重；B：根部病害严重的小麦；G：根部病害轻微的小麦 
图3 细菌类群丰度热图 a：细菌门水平丰度热图；b：细菌科水平丰度热图 二、细菌群落对小麦多周期种植和AG8侵染的响应 不同小麦种植周期和病原真菌AG8侵染条件下，细菌群落呈现明显聚集的现象（图4）。真菌AG8侵染小麦根际菌群与未侵染小麦根际菌群形成明显的集群，AG8侵染进一步加剧了不同种植周期间菌群的分离。有趣的是，在连续的小麦种植周期中，“G”处理(小麦根病最少的根际)的细菌群落与“B”处理(小麦根病最严重的根际)的细菌群落逐渐分离，尽管在第9周期仍有重叠（图4）。与细菌群落结构一样，随着种植周期的增加，细菌丰富度和多样性显著降低（p ≤ 0.05，Tukey检验）。对照（CK）和AG8侵染（R）在第1周期细菌丰富度和多样性较高。然而，丰富度和多样性在“G”处理和“B”处理的细菌群落之间无显着差异。9个种植周期后，未感染AG8的小麦根际酸杆菌门、放线菌门和候选菌门WPS-1比感染AG8的小麦根际丰富（图5a-c），而拟杆菌门则呈现相反的趋势（图5d）（p ≤ 0.05，Tukey检验）。此外，种植周期和AG8入侵对科水平的土壤微生物群落有影响（图6）。经过5次播种后，小麦根系损伤和茎部发育迟缓均有所缓解，表明抑病作用已经发挥。在本研究中，多周期种植小麦以及AG8入侵的条件下，小麦根际招募了一些对植物病原菌有潜在拮抗作用的微生物（图7）。DESeq2分析发现，在周期2和9中，“G”处理(小麦根病最少)和“B”处理(小麦根病最严重)的根际土壤中存在一些差异丰富的微生物（图8）
图4 根际细菌群落的NMDS分析 种植周期与AG8侵染对所有样品进行NMDS分析。CK:对照植株的根际土壤，未感染AG8；R：第一个循环中被AG8侵染的植株根际土；B：根部病害严重的小麦根际土；G：根部病害轻微的小麦根际土 
图5 种植周期及接种AG8对细菌门水平的影响 CK1、CK2和CK9：周期1，2和9未侵染AG8的对照植株根际土壤；R：周期1中被AG8侵染的植株根际土；G2，G9：周期2和周期9“G”处理植株根际土；B2，B9：周期2和周期9“B”处理植株根际土 
图6 受种植周期和AG8入侵显著影响的细菌科水平热图 CK:对照植株的根际土壤，未感染AG8；R：被AG8侵染的植株根际土；B：根部病害严重的小麦根际土；G：根部病害轻微的小麦根际土 
图7 受种植周期和AG8入侵显著影响的细菌属水平热图 CK:对照植株的根际土壤，未感染AG8；R：被AG8侵染的植株根际土；B：根部病害严重的小麦根际土；G：根部病害轻微的小麦根际土 
图8 在a：周期2和b：周期9中，“G”处理（小麦根部病害最轻）和“B”处理（小麦根部病害最严重）的根际土中鉴定出丰度差异的OTUs 三、细菌体外抗真菌能力 为了证实植物招募的有益细菌类群的能力，从周期5，6，7，8和9收集的根际土中分离细菌。本研究共分离到47种细菌，在97%的序列相似性阈值下，将其分类为35种。其中有11种细菌对AG8表现出不同程度的拮抗活性。分别属于泛菌属，假单胞菌属，链霉菌属，金黄杆菌属，鞘氨醇单胞菌属，贪铜菌属，不粘柄菌属，红球菌属和紫色杆菌属（图9a）。6种细菌对AG8表现出拮抗作用（图9a）。只有一株紫色杆菌属对腐霉菌表现出拮抗效果（图9a）。由于紫色杆菌属（OTU131）对三种土传病害均表现出广谱抗菌活性，因此被用于进一步研究。并且相较于“B”处理，在“G”处理的土壤悬液中发现了更多的OTU131。在温室实验中，进一步探究了OTU131对AG8的抑制作用。与对照(未经或未感染AG8的植物种子)相比，3周龄小麦幼苗在AG8侵染土壤中发育不良，但在接种了OTU131的土壤中生长良好。与只接种AG8相比，接种OTU131处理的小麦根系鲜重显著增加，但仍显著低于对照（图9b）。单独接种AG8和同时加入OTU131与AG8处理小麦幼苗的鲜重和鲜长基本相同，但低于或短于对照。
图9 OTU131对土传病原菌AG8的抑制能力 a体外双重培养试验。bOTU131对土传病原菌AG8的抑制能力。(1)在林德土壤中生长的小麦，未接种茄枯病菌AG8和OTU131。(2)在林德土壤中不接种AG8并经OTU131处理后生长的小麦。(3)接种AG8的小麦。(4)接种AG8与OTU131的小麦。 在本研究中，作者使用多循环选择系统和病原菌立枯丝核菌的入侵来探究植物根际招募有益菌抑制病害发生的行为，结果发现，连续种植显著增强了AG8敏感型小麦的抑病性，且AG8入侵与非入侵的小麦根际微生物组不同，且病害最严重的小麦根际细菌群落与病害最轻的根际细菌群落，随着种植周期的增加而逐渐分化。从连续种植小麦的根际土壤中分离有益微生物，共得到47株细菌，鉴定后分为35个属，其中11株细菌对AG8有体外拮抗活性，5株细菌对水稻纹枯病菌有体外拮抗活性。其中，紫色杆菌属成员OTU131同时对两种病原菌表现出较强的拮抗活性，并且在盆栽实验中也对AG8表现出良好的疾病抑制活性。上述结果表明，小麦的连续种植以及土传病原菌的侵染可以促使植物根际形成特定的根际微生物群落，通常表现为植物根际招募一些有益微生物。该研究发现的植物根际对于特定有益微生物的招募行为可能为解决与植物病害以及作物生产力相关的农业问题提供新的思路与见解。论文信息 原名：Rhizosphere
community selection reveals bacteria associated with reduced root disease 译名：根际群落的选择性招募揭示了与病害相关细菌的减少 期刊：Microbiome DOI：10.21203/rs.3.rs-64051/v3 发表时间：2021年4月 通讯作者：Timothy C. Paulitz 通讯作者单位：华盛顿州立大学
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