Science Advances/最初的土壤微生物群落组成和功能决定了未来植物的健康状况

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题目：Initial soil microbiome composition and functioning predetermine future plant health

最初的土壤微生物群落组成和功能决定了未来植物的健康状况

期刊：Science Advances（2019）

IF：13.5

作者：韦中

摘要：

      操纵植物微生物是一种减少疾病水平的选择。本文以青枯菌（Ralstonia solanacearum前面推文有介绍）为主要致病菌，番茄为寄主，在自然感染青枯菌超过15年的田间进行试验以及温室下的土壤移植实验。探讨了初始土壤微生物组的变化如何在单株水平上预测未来的病害结果。发现，最初的土壤微生物组的组成和功能决定了这些植物是存活还是死于病害。存活下来的植物微生物群落与特定的稀有类群、高致病性的假单胞菌和芽孢杆菌以及编码抗菌化合物的丰富基因有关。微生物群落介导的植物保护可以通过土壤移植转移到下一代植物中。初始微生物组的组成在预先确定疾病动态和相关寄主生物的未来健康方面起着至关重要的作用。

实验设计：

1.根箱系统

图注1：（A）根箱由三层圆柱组成，高度为136毫米，直径为110毫米。内层(根室)是由一个50米的尼龙网，防止根进入中间层，外层是由一个4毫米的金属网来支持根室。B)中间采样层为18个单独的尼龙网袋(150μm尼龙网;身高,136毫米;宽度:18至21毫米;厚度，1至2毫米)，含有均质和灭菌的田间土壤。

      根箱由三层圆柱体组成（图1A），中间层由18个独立的尼龙网袋组成，在取样过程中可单独移除。每个袋子装4克均质和灭菌的田间土壤，喷上无菌蒸馏水，轻轻挤压至1- 2毫米的厚度，并安排在根箱的外层和内层之间，形成中间的采样层。内层填满了在田间试验中挖出的土，因此，中层尼龙网袋内的土壤可被周围自然土壤中的细菌定植，并受到植物根系发育和植物根系分泌物分泌的影响(图1B)。

2.现场实验的设计与采样

         番茄种子育苗后在温室中培养3周，然后在田间种植。设置3个试验田(相距1 m)，每个试验田共有16个根箱，各根箱间距30 cm，每个根箱各栽一株番茄苗(图2)。试验时采集初始块状土(0周)，5天后，随机从根箱中层取出3个尼龙网袋，探究从周围的大块土壤到中间取样层的微生物定植的主要影响。在每个取样时间点(定植后3、4、5、6周)随机采集每个根箱的3个中层尼龙袋，对根际土壤进行取样。半数以上的番茄植株在种植6周后出现病害症状。田间试验继续进行一周(共7周)，以确保病害发生率达到峰值，健康植株未出现任何病害症状。

在番茄种植7周后，对对于所有的48个植物，存在于茎冠中的Ralstonia solanacearum密度进行测量，未出现萎蔫症状且病原分离阴性的植株被归类为健康植株(图2 )。表现出萎蔫病症状并对病原分离呈阳性的植物为病株。未表现出萎蔫症状但对病原菌分离呈阳性的植株被认为是潜伏感染植株 ，未被纳入本研究的进一步分析。

随机选择了12株健康植物和12株病害植物，分别追踪了健康植物和病害植物的微生物组组成、理化土壤性质和病原菌密度的变化。

3.土壤移植试验研究了健康与病害植物群落在世代间的相互抑制关系

      使用了一个单独的温室实验。为此，在实验结束时(第7周，最后一次根际土壤取样后一周)从根箱中收集土壤。将3个根室土壤重复随机混合为1个，分别对健康植株和病株进行4个土壤重复。

建立了三种处理方法:(1)来源于健康植物的健康土壤，(2)来源于患病植物的患病土壤(3)健康植物的无菌土壤(在80℃下培养3小时)。每盆12个番茄植株视为一个重复，每个处理4个重复盆。花盆置于生长箱中，在26℃下进行16小时光照/8小时暗光周期培养，并补充等量的无菌蒸馏水，以保持处理之间相同的土壤湿度。以播种3周后番茄植株每重复凋萎的百分比作为发病记录。

实验主要结果与讨论

1.    将微生物群的初始差异与未来的疾病结果联系起来

图3田间试验中健康植株和病株土壤理化性质、细菌总丰度和细菌多样性的差异。(A)初步土壤理化性质的主成分分析。(B)与健康和患病植物相关的微生物群落中总细菌种群密度的动态。(C)与健康植物和患病植物相关的微生物群落中细菌OTU丰富度的差异。(D)与健康植物和患病植物相关的微生物群落中细菌香农多样性的差异。在所有面板中，N.S.表示无显著性差异，而*和***分别表示p < 0.05和0.001水平的差异

图4与健康植株和病株相关的初始土壤微生物群落明显不同(F1,22 = 2.3, P < 0.001，未加权UniFrac的AMOVA);在x轴和y轴上显示了解释变量的百分比。

      病原菌丰度、土壤理化性质、总细菌密度、细菌群落多样性(图3)不能预测植物在试验过程中是保持健康还是被病原菌感染。然而，初始土壤细菌群落组成分为两个不同的类群，这两个类群与试验中保持健康或后期患病的植物很好地响应（图4）。

图5(D)与后来健康的(左)和患病的(右)植物相联系的最初的微生物群落的共生网络。（E）病原体抑制背后的潜在“驱动分类群”，其基础是对最初的微生物群落进行细菌网络分析，这些微生物群落后来与健康植物和患病植物联系起来。(F)与未来健康和患病植物的最初微生物群相关的独特功能基因谱(G)与次生代谢合成相关的代表性基因在未来健康和病害植物的初始土壤微生物群落中的丰度。(H)从健康植物和病虫害植物的初始土壤微生物群落中分离到的茄属植物抑菌杆菌和假单胞菌的比例

2.  追踪植物生长过程中微生物组组成、多样性和功能的变化，并比较第二代植物的土壤抑制力

图6健康植物和患病植物相关的细菌群落组成的比较

在整个实验过程中，尽管微生物组的组成在实验结束时趋于一致，与健康植物和患病植物相关的细菌群落组成的差异始终存在（图6）。

图7。在与健康和患病的植物相关的最初的微生物群落中观察到鉴别稀有OTUs的时间变化。

表中显示了时间与与健康(健康柱)和患病(患病柱)植物相关的稀有OTUs相对丰度的Pearson相关系数。红色表示负相关(otu在时间上减少)，绿色表示正相关(otu在时间上增加);*和***分别表示p < 0.05和0.001的显著性水平。与健康植物初始土壤微生物组相关的稀有类群大部分迅速被取代，而与患病植物初始土壤微生物组相关的稀有类群在实验接近尾声时持续存在，甚至大量增加（图7）。

图8（G）实验结束时，与健康植物和患病植物的次生代谢合成相关的代表性基因丰度(第6周)

(H)第一代健康土、病土、无菌土移植后第二代植株发病情况(均数±SD, n = 4)。小写字母表示P < 0.05差异有统计学意义

       在实验过程中，从功能基因的角度来看，一些特定的功能特征，如聚酮合成酶基因的高丰度，在整个实验过程中，在健康的植物群落中仍然保持较高的水平(图8)，这表明它们可能保留了抑制病原体的能力。为了证实这一点，我们进行了土壤移植实验，测试在实验结束时分离出的微生物群落是否能够在下一代植物中提供对病原体的保护。这些结果表明，土壤微生物组组成和功能的最初差异在整个植物发育过程中持续存在，并可延续到随后的植物世代。

 讨论：

       最初的微生物群落与后来的健康植物和患病植物在土壤理化性质上没有区别。这表明，在重复小区内的非生物环境条件的局部变异不太可能是导致不同结果的原因。5日龄的微生物组样品的结果显示，根箱很快就被周围环境中的细菌占领，随后与健康和患病植物相关。这些结果表明，即使在时变的田间条件下，根据细菌群落组成和功能能力的初始差异，细菌性枯萎病的发展是高度可预测的。

       虽然在门水平上没有发现明显的差异，但某些分类单元可清楚地区分。这些类群与病原体抑制相关，抑制作用背后的一个潜在机制可能是抗生素的生产。

       在田间试验的开始和结束时，健康菌群和病害菌群相关的分类单元发生了较大的变化。这表明不同的类群可能会驱动病原菌的抑制，这表明在根际微生物群落中存在功能冗余。

       尽管在植物发育过程中微生物组的组成有轻微的趋同，但健康的植物微生物群的有益影响可以通过单独的土壤移植试验转移到未来的植物后代中，这突出了功能微生物群落对抗病的重要性。

       我们的研究结果表明,初始和发展微生物组成的差异可能对细菌性枯萎病暴发起着重要的作用。我们的结论是，尽管在自然环境中，病害变异的性质通常是随机的，但植物病害动态也可以被与土壤微生物群落分类和功能特性的场内空间差异相关的确定性过程驱动。

结论

       本研究不仅通过大田实验探究了最初的微生物群落对植物抗病性的影响，定位了一些抗病相关微生物，还试验其能否在下一代植物中继续提供保护。不同于在整个生长周期，人为不间断直接消除病原菌的方式。本研究对管理农业系统中植物病害的方法提供了迂回策略，展示了初始微生物在抑制病原菌过程中发挥的作用，有着重要的意义。

微信号 : lida179438448

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