mSystems：从铁载体窥根际菌群互作大局，可见一斑！

作者：顾少华

本期周刊为您介绍LorMe近期发表的关于铁载体介导的微生物互作影响作物健康的文章。

导读

对稀缺资源的争夺是根际微生物世界的不变主题，在有效铁素资源稀缺的根际环境中，铁载体在根际菌群互作中发挥着重要的作用。我们前期的研究揭示了铁载体介导的根际菌群与土传病原青枯菌的互作，在作物健康中发挥了关键作用，相关工作发表在了国际权威学术期刊《自然微生物学》Nature Microbiology上（成也铁载体败也铁载体：根际微生物稀缺资源争夺战）。但这部分工作仍不清楚铁载体是否可以影响菌群内部互作进而影响作物健康。本研究利用5株青枯菌同属细菌构建了人工合成菌群，在室内条件下探明了铁载体介导的菌群内部互作特征以及菌群对青枯菌的作用情况。温室研究发现无论是铁载体介导的菌群内部互作还是菌群对青枯菌的作用均可影响土传青枯病的发生。本研究通过简化的研究体系证明了铁载体介导的菌群互作特征是影响土传病害发生的重要因素，这为生物防治土传病害的有益菌群构建提供了新的视角。

铁载体介导的根际菌群内部互作抑制土传青枯病发生的艺术图

张耀予作

主要结果

01

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有益菌在限铁条件下产铁载体能力

本文设计的菌群主要由五种在自然根际环境中与致病青枯菌同时存在且同属的无致病力细菌组成（此模式合成菌群相关工作之前发表在2015 Nature Communications、2017 EM和2018 Proceedings B）。在富铁条件下（生物可利用性铁浓度高），5株细菌几乎不产铁载体；而在限铁条件下（生物可利用性铁浓度低），5株细菌均具有较强的铁载体产生能力。

图1 两个铁载体非生产菌株（垂直线左边）和五株有益菌（垂直线右边）在富铁（A）和限铁（B）条件下铁载体的产生情况。两个铁载体非生产菌株的平均铁载体产生值代表一个临界值（紫色和黄色虚线），以区分背景CAS活性与实际铁载体的产生。

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铁载体影响有益菌群菌株间互作以及对病原青枯菌的作用在富铁条件下，5株有益菌分泌的总代谢物质均促进了病原青枯菌的生长，总代谢物质介导的菌群内部互作主要以促进作用为主；而在限铁条件下，4株有益菌分泌的总代谢物质对病原青枯菌的生长具有抑制作用，仅剩QL-A6依旧保持着促进作用。且总代谢物质介导的菌群内部互作主要以抑制作用为主。进一步分析限铁条件下非铁载体代谢物质和铁载体介导的有益菌株对青枯菌生长的作用以及菌群内部互作情况，发现无论是有益菌株对青枯菌作用的变化，还是有益菌株内部互作情况的变化都主要是因为铁载体的产生，这说明铁载体在有益菌群抑制病原菌的生长中起着重要作用。

图2 富铁(虚线左边，A)和限铁（虚线右边）条件下总代谢产物（B）以及非铁载体代谢产物(C)和铁载体(D)介导的有益菌群内部以及有益菌株与青枯菌之间的互作情况。网络图显示了有益菌株之间不同代谢物介导的所有成对相互作用的强度和方向性，以及接种菌株对病原青枯菌（中间黑色圆圈RS）生长的影响。线的粗细代表促进或抑制关系的强度，红色、蓝色和灰色分别显示抑制、促进和无显著作用。

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铁载体介导的菌群内部互作影响菌群对病原青枯菌的抑制作用

在群落水平，我们发现铁载体介导的对病原青枯菌生长的直接作用和菌群内部互作都受有益菌群铁载体产量的影响。铁载体产量越高，菌群内部促进效应越强，菌群对病原菌的抑制作用越弱；铁载体产量越低，菌群内部竞争效应越强，菌群对病原青枯菌的抑制作用越强。进一步分析发现，铁载体介导的菌群内部互作效应与菌群对病原青枯菌的直接作用呈显著正相关关系，说明铁载体介导的菌群内部互作效应影响菌群对病原青枯菌的抑制作用。

图3 铁载体介导的有益菌群内部互作以及对病原青枯菌生长的影响。铁载体介导的对病原青枯菌生长的直接作用（A）和有益菌群内部互作（B）与有益菌群产铁载体的能力有关。铁载体介导的对病原青枯菌生长的直接作用与铁载体介导的有益菌群内部互作呈正相关关系（C）。

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铁载体介导有益菌群内部互作影响番茄土传青枯病的发生

温室盆栽试验发现，接种有益菌群可显著降低植株发病率，但效果受到菌群组成的影响。研究发现铁载体介导有益菌群对病原青枯菌生长的影响以及铁载体介导的有益菌群内部互作都可以在一定程度上影响土传青枯病害的发生。在病害发生的前期，菌群铁载体产生能力是影响菌群防治病害功能的主导因素；在病害发生的中期，铁载体介导的菌群内部互作是影响最大发病速率的最重要因素；在发病的最后阶段，铁载体对病原青枯菌生长的作用显著影响植株的最终发病率。综上结果表明，利用铁载体介导效应可预测植株病害发生情况，但铁载体预测效果受植物发病的阶段和接种菌群组成的影响。

图4 接种有益菌群对番茄植株病害发病进程的影响。（A）在不存在（黑线）和存在接种菌群的情况下（青线）青枯菌病害的程度。（B到D）铁载体的产量（左，酒红色）、铁载体对病原青枯菌生长的直接作用（中，浅蓝色）和铁载体介导的菌群内部互作强度（右，草绿色）在发病的不同阶段（B、C、D）对病害发生的影响。

总结

铁载体可介导菌群对病原菌入侵的促进或抑制作用，而这主要取决于接种菌群铁载体介导的相互作用的强度与方向。因此，铁载体介导菌株对病原菌生长的直接作用以及铁载体介导的菌群内部互作对于预测菌群防治土传病害的能力都很重要。这项结果可广泛应用于抑制其他微生物侵染的研究中，后续也可以应用于功能性微生物菌群构建，利用铁载体介导与病原菌之间的较强竞争作用，同时与非病原性竞争者稳定共存持续抑制病原菌，从而达到更好的防病效果，为发展环境友好型绿色农业提供新视角。

论文信息

原名：Siderophore-Mediated Interactions Determine the Disease Suppressiveness of Microbial Consortia

译名：铁载体介导的相互作用决定了微生物群落对疾病的抑制作用

期刊：mSystems

IF：7.389

发表时间：2020.06

DOI：10.1128/mSystems.00811-19

通讯作者：韦中

第一作者：顾少华

通讯作者单位：南京农业大学资源与环境科学学院

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