Science advances: 初始土壤微生物组组成和功能可决定未来植物健康



背景介绍



植物病原菌导致的农作物减产是农业生产面临的重大问题。相比施用农药，调控植物微生态系统是降低农作物患病率的环境友好型方法。然而，我们对植物、植物病原体和土壤微生物群之间的复杂相互作用，以及自然条件下疾病发展的决定因素仍知之甚少。

土传植物病原菌青枯菌（Ralstonia solanacearum）是细菌性枯萎病的病原，具有无症状潜伏感染的特性，能够感染许多经济上重要的作物，在中国和亚洲范围内危害极大。本研究利用非破坏性连续采样根盒装置，以青枯菌为主要病原菌，以番茄为模式寄主，在田间条件下对单株作物不同生育期根际菌群等特性进行动态跟踪，探究初始土壤微生物群落和功能与植物未来疾病的关联。




实验设计



研究使用自然感染青枯菌15年以上的田间土壤进行实验，将每棵番茄植株独立种植在非破坏性连续采样根盒（图1）。种植5天后，采集bulk soil和中心层土壤视为初始样本（第0周）。从第3周开始，每周按上述方法取样一次，大部分植株在第6周出现病害症状，将田间试验再维持一周（总共7周），以确保发病率达到最大峰值，并且没有健康植物发病。没有枯萎症状和病原分离阴性的植株为健康植株，表现出枯萎症状且病原分离阳性的植株为病株。实验随机选择了12株健康植物和12株病株，分别对健康植物和病株的根际微生物组成、土壤理化性质和病原菌密度的变化进行了追踪。在第7周，采集健康和发病植物的土壤样本用于番茄再种植实验。

图1 根际土连续采集装置示意图（A），装置由三层圆筒组成，底面直径110 mm，高136 mm。三层结构中，外层是4 mm金属圆筒起支撑作用，内层是由孔径50 µm尼龙网制成的圆筒能够限制植物根系的生长，中层（B）由18个孔径150 µm的尼龙网袋组合而成，内装厚度2 mm的混匀田间土壤。因中层网袋中的土壤受根室内植物根系的直接影响，所以将其视作根际土；田间试验设计（D），从第3周开始每个采样时期采集位置相对的3个尼龙网袋。




结果与讨论



1. 苗期微生物组差异与植物未来健康

研究发现，健康和患病植株具有明显不同的初始土壤微生物组（图2B），包含的稀有细菌类群也有较大差异，其中健康植株土壤中的α变形菌门、厚壁菌门和蓝细菌丰度更高，而患病植株土壤含有较高的酸杆菌门、放线菌门和疣微菌门丰度（图2C）。初始健康土壤中合成聚酮类和非核糖体肽类等关键抑菌物质基因的丰度也显著高于发病土壤（图2G），虽然功能基因的丰度与合成这些物质的菌群丰度之间没有显著关联，作者认为这是由于苗期只能为细菌生长和次生代谢提供少量根系分泌物。

图2. 初始阶段土壤微生物组成和功能

2. 跟踪植物生长过程中微生物组分、多样性和功能的变化
通过对番茄不同生长时期的追踪，作者发现虽然实验结束时微生物类群趋同，但不同时期中健康与患病植株的微生物类群都有差异，可能是由于植物根系分泌物引起的微生物组分变化和植物内胚层改变导致的。
健康植株初始土壤稀有类群在植物发育早期被迅速替换，而病株初始土壤的稀有类群会持续存在甚至大量增加。说明健康植株的稀有根际微生物类群可能在植物发育的早期阶段对微生物群的富集产生优先影响，从而导致更具抑制性的细菌群落形成或启动植物免疫系统。而患病植物相关的稀有类群可能促使病原体的产生与侵染。说明初始土壤微生物群的差异可以预先决定植物的未来健康状况。


图3.不同发育阶段土壤微生物组成与功能



结论



过往研究认为作物发病与苗期土壤中病原菌的数量、土壤理化特性等因素密切相关，而本研究发现，土传病原菌入侵作物根系后作物是否发病主要取决于作物苗期土壤细菌群落的结构特征，苗期的微生物群落通过产生病原菌抑制物，形成抑制型细菌群落，从而有效抑制病原菌的入侵。这一发现，为农业系统植物病害管理提供了新的思路，通过管理土壤微生物群的整体组成，可以更好地控制植物病害的爆发。

参考文献

Initial soil microbiome composition and functioning predetermine future plant health. Science Advances. 2019

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