《Microbiome》-- protists are key determinants of plant health

以下文章来源于南农LorMe ，作者LorMe实验室

3月3日，南京农业大学韦中博士团队，在根际微生态与植物健康研究取得进展，成果以“Rhizosphere protists are key determinants of plant health”为题发表在国际著名学术期刊《Microbiome》（IF2018=10.465）。该成果揭示根际原生动物群落及其与细菌群落的互作在保护作物健康方面发挥重要作用。2019年12月，该课题组另一篇相关文章在线发表于Nature Biotechnology，戳以下链接：Nature Biotechnology重磅！|使用复合噬菌体疗法防治番茄青枯病取得重大突破

在自然条件下，植物与土壤微生物之间联系紧密，在根土交界面根际蕴含着大量的微生物，它们对植物生长和健康有重要影响。土传病原菌一般从根系入侵植物，然而在进入根内之前，必须要突破根际土壤微生物组成的生物屏障，因此土壤微生物群落在抵御病原菌入侵植物根系中发挥重要作用。与细菌和真菌相比，其他微生物例如原生动物群落，因其对环境输入的响应更强烈，并且各季节间组成变化更大，可能是预测植物健康更佳的指标。

土传青枯病是一种毁灭性的细菌性病害，在世界范围内，尤其是中国危害极大。青枯菌（Ralstonia solanacearum）是其致病菌，在土壤中存活能力强，一般从根系侵染植物，难以防控。前期研究发现田间番茄土传青枯病的发生与根际细菌群落结构和功能特性密切相关(Wei et al., 2019,Science Advances)。本研究通过非破坏性根际土壤样品连续采集装置，综合分析了细菌、真菌和原生生物在内的整体根际微生物组以及微生物功能相关的代谢基因，探究在植物整个生长周期中这些群落和功能基因与土传青枯病发生的关系。

图1 根际土连续采集装置示意图（A）和田间试验设计（B）。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（根室）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，中层由若干孔径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。每个采样时期采集位置相对的3个尼龙网袋。

1、根际原生动物群落结构是预测植物健康的关键因子

在健康与发病番茄植株中，根际原生动物群落结构是预测青枯菌数量的最佳因子（图2 a-c）。同时在健康植株中，细菌群落的多样性和群落结构可以显著预测青枯菌数量（图2b），因此，苗期根际土壤细菌群落结构和功能决定作物未来健康。

2、吞噬型原生动物可以调控植株生长过程中病原菌的生长

研究发现，随着植株生长，初始阶段吞噬型原生动物群落差异可以指示健康与发病植株（图3 a, b）。指示性分析与共发生网络分析显示，在植株生长初始阶段，相比于发病植株，健康植株中具有更多与青枯菌负相关的原生动物OTU（图3 d）；吞噬型原生动物相对丰度与青枯菌数量显著负相关（图3 e）。此外，在发病植株中，吞噬型原生动物的相对丰度随着植物生长而显著降低（图4），而这一降低与青枯病的爆发相吻合，因此我们进一步推测吞噬型原生动物可以控制植株生长过程中病原菌的生长。

图3 原生动物系统分类及功能组群落结构在起始阶段（第0周）健康与发病植株间的差异（a）；起始阶段健康与发病植株中的吞噬型原生动物（b）和指示性原生动物OTU（c）的群落结构，以及与青枯菌具有直接相关性的原生动物OTU功能组网络（d）；健康与发病植株生长过程中，吞噬型原生动物的相对丰度与青枯菌的相关性（e）。

3、根际原生动物自上而下的调控影响植株健康状态

对番茄生长过程中功能基因的变化进行分析，发现健康植株中与碳水化合物与辅酶代谢相关基因的相对丰度在苗期显著高于发病植株（图5 d, e）；到了第五周（青枯病爆发期，图6 e），健康植株中的大多数代谢基因的相对丰度显著高于发病植株（图5）。在八种代谢基因分类群中，次生代谢产物合成（Q）基因与青枯菌数量显著相关（图6 a）。

图5 植物生长发育过程中，健康与发病植株中八个代谢基因和总代谢基因的相对丰度。[C]能量产生和转化（a），[E]氨基酸运输和代谢（b），[F]核苷酸运输和代谢（c），[G]碳水化合物运输和代谢（d），[H]辅酶运输和代谢（e），[I]脂质转运和代谢（f），[P]无机离子转运和代谢（g），[Q]次生代谢产物的合成、转运和分解代谢（h）和总代谢基因（i）。

通过对植株生长过程中根际细菌、真菌及原生动物的调查，我们发现，除了细菌外，原生动物群落是预测植物健康状态的关键指标。尤其是原生动物的群落组成可以预测植株最终的健康状态。同时，通过线性相关和共生网络分析，我们发现吞噬型原生动物可能通过直接捕食病原菌，以及通过调控细菌群落的结构与功能（产生抑菌性物质能力），进而维持植株健康。这一发现有助于在农作物移栽之前根据土壤原生动物群落预测植株移栽后的健康状态。此外，我们的研究结果也指出吞噬型原生动物在生防方面的潜力，可以用来定向调控根际微生物组，进而提高植物健康状况。

Nature Biotechnology重磅！|使用复合噬菌体疗法防治番茄青枯病取得重大突破

Rhizosphere protists are key determinants of plant health. Microbiome, 2020.