【LorMe成果】细菌群落多样性影响VOCs介导的群落功能均衡
4月3日，LorMe实验室在根际微生态与植物健康研究取得进展，成果以“Bacterial community richness shifts the balance between volatile organic compound-mediated microbe-pathogen and microbe-plant interactions”为题发表在Nature index期刊《Proceedings. Biological sciences》（IF5=4.35）。该成果揭示VOCs介导的PGPR多态性在抗病促生过程中的作用机制。
微生物在自然界中的作用越来越受到重视，它们对物质的利用方式和代谢产物影响着人类、动植物的生长、健康、疾病和死亡。而菌群功能的多样性与其物种的多样性密切相关。那么菌群多样性与其功能有什么关系？菌群多样性又通过什么来影响其功能的呢？如何影响的呢？LorMe实验室最近以微生物释放的挥发性有机化合物（VOCs）为切入点，研究了多样性水平对根际菌群VOCs抑制病原菌功能和促进植物生长功能的影响，论述了根际菌群多样性与功能之间的关系。
VOCs介导的抑菌促生功能与菌群多样性的关系是什么？机制如何？
研究思路：为了回答上述的科学问题，作者构建了不同多样性水平的合成菌群，研究菌群VOCs抑菌功能和植物促生功能随菌群物种丰富度的变化规律。结果表明，合成菌群的VOCs介导的功能与物种多样性水平密切相关，且相关模式不同。质谱分析和功能分析结果表明，合成菌群VOCs的组分和浓度受菌群多样性的影响很大，而菌群功能和多样性的关系与VOCs功能组分的变化规律保持一致。
背景介绍
挥发性有机化合物（VOCs）是微生物产生的次级代谢产物之一，同时也是微生物发挥长距离作用的一种形式，它可以穿过土壤孔隙在根际调节植物和微生物的生长及相互作用。目前，已发现单菌产生的VOCs有抑制植物病原微生物和促进植物生长的能力。但还不清楚物种数量增多对VOCs的产生以及功能发挥的影响。细菌群落的多样性可能在许多方面影响VOCs的产生：1）合作为主导的多物种菌群可以达到更高的物种数量并产生更多的VOCs；2）拮抗作用为主导的菌群中，高度多样性可能导致菌群内的拮抗作用增加，从而通过对菌群的生长和整体代谢产生负面影响来抵消VOCs的产生。因此，菌群成员之间、物种之间的相互作用导致增加菌群多样性可以促进或限制某些VOCs的产生；3）如果每个物种产生不同的化合物，增加一个菌群中物种的数量可能会增加所产生的独特功能VOC的数量。因此，高度的菌群多样性可以增加VOCs介导的功能范围。种内和种间细菌相互作用可能导致某些“新兴”VOCs的表达，这些VOCs在单一培养物中不会产生。所以探究VOCs与物种多样性水平之间的关系对于生态学研究十分重要。
主要结果
多样性水平影响菌群VOCs的抑菌促生功能
为探究菌群物种丰富度对VOCs数量和功能的影响，作者将三种土壤常见细菌属的12个菌株组合成丰富的为1、2、3、4、6、12的菌群，通过琼脂培养基测定法检测菌群物种丰富度对VOCs介导的抑菌功能和植物促生功能的影响。研究发现，菌群VOCs的抑菌功能随物种丰富度呈先增强后降低的趋势（图1a），而菌群VOCs的促生功能随着物种丰富度的增加逐渐减弱（图1b）。这些结果表明，菌群物种丰富度与其VOCs介导功能密切相关，而且对抑菌和植物促生影响的方式不同。为什么VOCs介导的菌群不同功能模块与菌群多样性的相关模式不同呢？为回答这个问题，作者通过质谱分析鉴定不同菌群产生的VOCs的组分和浓度，进而研究每种VOC组分的抗菌和促生功能。结果发现，具有抑菌功能的VOCs浓度随物种水平的提高先增加后减少（图2a）。具有植物促生功能的VOCs浓度随物种数量增加而逐渐降低（图2b）。进一步相关性分析发现，抑菌功能VOCs含量和抑菌效果呈正相关，促生功能VOCs含量和生存效果呈正相关（图2c，d）。结果表明，功能VOCs随多样性的变化规律是菌群功能的重要驱动因素。
图2 菌群丰富度对VOCs介导的抑菌能力（PS）和植物促生能力（PGP）以及VOCs数量的影响和相关性
总结
物种多样性与菌群功能之间息息相关，作为发挥菌群功能的VOCs起着至关重要的作用。不同物种多样性产生不同VOCs，为了优化物种之间的相互作用，VOCs功能随之发生变化。然而并不是菌群的多样性越高，其发挥的作用越强，物种之间的相互作用可能会抵消部分的功能，菌群产生的VOCs的数量和种类反而减少。这对于为未来菌群构建以及了解植物-微生物之间的相互关系有着重要指导意义。
全文链接：
https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rspb.2020.0403
点击下方“阅读原文”即可跳转至原文，欢迎留言交流！编辑|张煜铃、王佳宁
排版|尹悦
校对|韦中、江高飞
封面|张耀予
往期成果
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南京农业大学-土壤微生物与有机肥料团队
微生态与根际健康实验室
Lab of rhizosphere Micro-ecology
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