【LorMe成果】土传青枯菌的入侵破坏了番茄根际微生物区系
作者：胡洁
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病原菌入侵植株后常常伴随着其周围物理环境及与宿主相关联的微生物区系的改变。植株、植株所处的物理环境和与植株相关联的微生物区系之间的相互作用和藕联关系如何决定大田条件下植物病害发生的动态过程至今尚不清楚。为此，南京农业大学的LorMe实验室连续采集了一整个栽培季度并且有病原菌存在的大田番茄根际土壤样品来研究青枯劳尔氏病原菌入侵植物的动态过程。研究人员根据土壤采集时间和植株发病状态将所采集的植株根际土壤划分为初始植株根际土壤、发病植株根际土壤和健康植株根际土壤三组来进行数据统计分析。
本研究揭示了病原菌入侵植物过程中植株根际病原菌数量与根际土壤非生物(理化性质)与生物因子（根际细菌区系多样性、共发生网络复杂度和功能基因丰富度）之间的相互作用和藕联关系。大田调查试验结果表明，只有根际土壤水溶性氮的浓度随着病原菌的入侵显著增加，而其他土壤理化性质与病原菌入侵相关性极其微弱。然而，病原菌入侵与多种根际细菌物种的丰富度和多样性的降低、细菌相互作用网络的简化和相关功能预测基因的丢失之间存在着显著的相关性。
图 1 大田调查试验植物根际病原菌数量的动态变化：A不同分组植株根际病原菌数量随植物生长的动态变化；B不同分组植株根际病原菌绝对数量与相对数量的相关性。
三组植株根际微生物区系之间存在着显著的组成差异，且植株生长和病原菌繁殖的共同作用逐渐将发病植株的根际微生物区系与另两组的区分开（图2A）。发病植株根际微生物区系细菌OTU多样性显著低于另两组（图2B）,并且发病植株根际微生物区系中更多的细菌OTU丰富度随着病原菌数量的增加而下降（图3B）。
图 2 大田调查试验植物根际微生物区系的变化：A不同分组植物根际微生物区系的组成差异；B不同分组植株根际微生物区系细菌多样性的差异；C不同分组植株根际与病原菌数量显著正负相关OTU占总细菌的百分比。
为了探究更多关于根际微生物区系随着病原菌入侵而变化的细节，LorMe实验室在高通量测序数据的基础上进行了共发生网络分析，结果表明与初始植株根际和健康植株根际相比发病植株根际的微生物区系共发生网络更加简化（图3）。
综上可知，病原菌入侵与多种植株根际细菌物种的丰富度和多样性的降低、细菌相互作用网络的简化之间存在着显著的相关性。但是病原菌入侵是否影响植株根际微生物区系的多样性和功能？
为了回答这两个问题，LorMe实验室设计了一个独立可控的温室盆栽试验来研究病原菌添加对植株根际微生物区系的影响。结果表明，病原菌的入侵驱动了根际微生物区系多样性和组成的变化（图4B），特别是青枯劳尔氏病原菌的入侵破坏了根际的细菌区系，导致了根际土著非病原细菌多样性和丰富度的下降（图4C-D）。
图 4 温室盆栽试验中根际土壤微生物区系的变化：A病原菌添加对根际病原菌相对含量的影响；B病原菌添加对根际微生物区系群落组成的影响；C病原菌添加对根际微生物区系细菌多样性的影响；D病原菌添加对根际微生物区系关键微生物菌门丰富度的影响。
结果表明，根际微生物区系的多样性、共发生网络的复杂程度和功能基因的丰富度在病原菌入侵植株根际的过程中起着关键性的作用。
由于多样性低的微生物区系具有较低的入侵抵抗力，病原菌入侵植物导致的根际微生物区系的变化能够导致病原菌再次成功入侵下一栽培季度的植株。病原菌与非病原菌丰富度之间的显著负相关性进一步表明了病原菌的相对丰富度与病原菌的绝对数量相比能够更好的预测植物细菌性枯萎病爆发的严重程度。
综上，该研究通过监测植株根际微生物区系的动态变化，能够为更精确地植物病情诊断提供理论基础。
原名：Ralstonia solanacearum pathogen disrupts bacterial rhizosphere microbiome during an invasion
译名：土传青枯菌的入侵破坏了番茄根际微生物区系
期刊：Soil Biology and Biochemistry
IF：4.926
Doi：10.1016/j.soilbio.2017.11.012
发表时间：2018.1
通讯作者：徐阳春
通讯作者单位：南京农业大学资源与环境学院
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南京农业大学-土壤微生物与生物有机肥料团队
微生态与根际健康实验室
Lab of rhizosphere Micro-ecology
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