New Phytologist：植物招募有益菌抵抗土传病原菌的证据 | 微生物专题

题目：Evidence for the plant recruitment of beneficial microbes to suppress soil‐borne pathogen

植物招募有益菌抵抗土传病原菌的证据

期刊:New Phytologist

三年均IF：7.354

上线时间：2020.10

摘要

大量研究框架表明植物在生物胁迫下会向土壤微生物寻求帮助，但是“呼救”策略的试验证据很少。我们整合微生物群、病原菌、植物转录基因定量与基于培养的方法研究小麦、小麦相关的微生物组与病原菌Fusarium pseudograminearum (Fp)三角关系。结果表明在病原菌感染小麦根际与根内有明显Stenotrophomonas rhizophila (SR80)优势菌富集。在根际，SR80达到3.7×10^7细胞/g，占根内微生物的11.4%。其丰度与茎的病原菌量及顶叶多个防御基因的表达呈正相关。将SR80重新引入土壤后，促进了地上地下部的生长，只有在病原体存在时，才能通过增强地上植物部分的植物防御诱导较强的抗病性。细菌SR80似乎是植物防御的早期预警系统。这项工作提供了新的证据，通过调节植物免疫系统富集有益微生物保护植物对抗病原体。

背景

理解与操纵植物相关的微生物组组装、抗逆对于以后的可持续农业发展十分重要。根际是植物-土壤-微生物，微生物与微生物互作的热域，最近一些研究证明了抗病作物通过招募有益菌抵抗病原菌表明了植物基因型对特定土壤以及功能的重要贡献（ISME/普通菜豆抗性育种对根际微生物组结构与功能的影响），还有一些植物通过根系分泌物招募微生物抵抗病原菌（Microbiome：根系分泌物驱动土壤记忆抵御植物病原菌(作者解读)）。这些有益微生物在土壤中会帮助下一代植物抵御病原菌（Cell/土传遗产）。这一过程中植物内生菌也通过代谢与竞争形成“第二道防线”（Trends in Plant Science/内生菌：植物防御的第二道防线）然而，植物与其微生物群之间这种相互作用的机制是应对生物胁迫的机制仍然了解很少，特别是防御信号通路在植物-微生物-病原菌三角关系中的理解。植物与其相关的微生物共进化可能是植物应对环境变化下的一种生活史策略。在被病原菌侵染过程中不同的植物“呼救”策略体现不同的生理与免疫特性。然而，这一策略的试验证据仍然很少，基础机制在许多方面仍然不清楚。

实验1：基因组、转录组手段探明机理及发现特异的微生物类群

田间试验：白色部分是接种病原菌的大田，灰色部分是缓冲带，在采样前发现缓冲带中出现病症，暗红色是采样地点。在采样点收集健康（40株）与染病（18株）植物的茎、叶、带有根际土的根（提取DNA用于微生物群落分析、根际土菌株分离培养），收集小麦的旗叶立即用干冰冻存提取RNA定量的防御相关基因。对发病植物进行疾病评分。利用qPCR对植物和土壤样品的Fp和菌落总数进行定量，并计算Fp在土壤中的相对丰度。

图S1：田间试验接种Fp的大田

结果1：植物被Fp自然感染，在田间试验中防御信号通路被激活

图1：Fp侵染对小麦茎及防御基因表达的影响。a:健康与Fp感染小麦茎的图片。Fp感染(相对丰富的Fp≥1)与健康茎白/亮绿色(Fp丰富< 1)。b:Fp丰度与视觉分级疾病水平的Pearson相关性。C-l：Fp感染对小麦茉莉酸(JA)和水杨酸(SA)信号通路转录的影响。对这些防御基因进行了线性相关检验，并与存在于茎部的Fp量进行了比较。每个灰色圆圈代表一个独立的测量(n=58)。m：红色破折号显示显著的回归，覆盖阴影区域代表95%的置信区间。JA和SA信号通路均被FP感染激活。n：总结了防御基因在叶片中的表达与小麦疾病严重程度的相关性。红色为正相关，蓝色为负相关。行表示解释变量，列表示防御基因。

结果表明健康与发病植物在形态上以及病原菌丰度上有差异，此外Fp与CR发病相关，说明发病是由于Fp导致的。转录组数据表明小麦中JA或SA信号通路激活的标记。这表明CR发病伴随着植物防御的激活。

结果2：健康与染病不同的微生物群落结构

健康与染病的空白土、根际与根内细菌α多样性降低体现了小麦根系的过滤作用，但健康与患病的微生物α多样性没有显著差异。

图2：Fp感染对小麦相关微生物群落的影响。RDA描述了根际土壤(a)和根内(b)中由于CR而引起的微生物群落组成的变化。(a)和(b)中显示的灰色交叉代表了根际和根内检测到的细菌操作分类单元(OTUs)。小麦根际(c)和根内(d) SR80丰度与根系Fp丰度的pearson相关性。红/绿线表示显著的回归，阴影区域代表95%的置信区间。

Fp侵染植株与健康植株根际微生物组成存在显著差异，根内微生物组成与健康植株略有差异(图2a、b)。此外，健康植株和病株根际土壤真菌群落组成差异显著。在根际微生物群落的冗余分析中。细菌OTU89589与Fp感染的植物密切相关，是RDA(RDA1)初级轴分离病害植物和健康植物的主要优势OTU之一。在根内中也发现了相同的模式，其中OTU 41442是对侵染植株鉴别能力最强的OTUs之一(图2b)。进一步分析发现，这两个OTUs在扩增的16S rRNA区域内的核苷酸相似性为100%，说明它们是同一株菌株，属于Stenotrophomonas spp。进一步发现这两个OTU在染病中与病原菌丰度正相关。说明在应对fp感染时，小麦相关微生物组的组成发生了显著变化，出现了SR80特异性显著富集。

试验2：SR80的分离培养与验证

收集新鲜的根际土用营养琼脂(NA)、Pikovskaya’s琼脂、色氨酸大豆琼脂、Kings B琼脂和Stenotrophomonas spp.选择培养基这五种培养基分离培养179株菌株，进一步鉴定筛选并进行全基因组测序得到Stenotrophomonas spp。在平板上与Fp进行拮抗试验。之后进行温室实验，不同组处理CK（PBS），SR80，Fp 与 Fp+SR80。第5、10、15天，从每个盆栽的土壤表面收集约1.5 g的土壤，以测定SR80和Fp的丰度。收获小麦幼苗提取总RNA。称茎、根鲜重。

图S2：盆栽试验设置将土壤高压灭菌后种上种子，覆盖1.5cm的土后接上病原孢子。

结果3：菌株的分离、鉴定与全基因组测序

分离出179株菌，16srRNA基因测序有7株为SR属于四株菌，其中SR80序列与OTU 89589 、OTU 41442序列100%一致。SR80全基因组测序得到了一致的结论。

SR80的基因组信息

结果4：SR80促进植物生长和防御

图3：SR80接种对小麦生长和存活的影响。a:处理14天后表型差异。B:15天后地上地下鲜重。C：15天后株高与茎直径。d：不同处理的小麦存活率。土壤中SR80 (e) and Fp （f）的丰度。

结果表明SR80接种后能保护小麦存活促进生长。

结果5：SR80在Fp存在的情况下调控植物防御信号通路

图4：SR80和Fp接种对JA和SA信号通路相关基因转录的影响

SR80在土壤和琼脂培养基上都没有显著抑制Fp，这表明直接抑制病原并不是该细菌促进小麦生存和生长的机制。转录组结果表明SR80调节植物防御相关基因的表达。

结论

图5：示意图说明SR80对植物生长和防御的生物学意义

我们的研究结果表明，小麦植株感染CR病害后，会招募有益的根际微生物，这种微生物有可能通过调节植物防御能力来帮助植物生长和保护植物(图5)。富集的微生物作为一种预警因子，在病原体入侵植物时迅速激活JA和SA信号通路。这项工作提高了目前对植物-微生物相互作用研究的认识，支持了植物-微生物互惠共生的共同进化理论。

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