Nature microbiology|根际稀缺资源争夺战

Abstract：Plant pathogenic bacteria cause high crop and economic losses to human societies1-3. Infections by such pathogens are challenging to control as they often arise through complex interactions between plants, pathogens and the plant microbiome4,5. Experimental studies of this natural ecosystem at the microbiome-wide scale are rare, and consequently we have a poor understanding of how the taxonomic and functional microbiome composition and the resulting ecological interactions affect pathogen growth and disease outbreak. Here, we combine DNA-based soil microbiome analysis with in vitro and in planta bioassays to show that competition for iron via secreted siderophore molecules is a good predictor of microbe-pathogen interactions and plant protection. We examined the ability of 2,150 individual bacterial members of 80 rhizosphere microbiomes, covering all major phylogenetic lineages, to suppress the bacterium Ralstonia solanacearum, a global phytopathogen capable of infecting various crops6,7. We found that secreted siderophores altered microbiome-pathogen interactions from complete pathogen suppression to strong facilitation. Rhizosphere microbiome members with growth-inhibitory siderophores could often suppress the pathogen in vitro as well as in natural and greenhouse soils, and protect tomato plants from infection. Conversely, rhizosphere microbiome members with growth-promotive siderophores were often inferior in competition and facilitated plant infection by the pathogen. Because siderophores are a chemically diverse group of molecules, with each siderophore type relying on a compatible receptor for iron uptake8-12, our results suggest that pathogen-suppressive microbiome members produce siderophores that the pathogen cannot use. Our study establishes a causal mechanistic link between microbiome-level competition for iron and plant protection and opens promising avenues to use siderophore-mediated interactions as a tool for microbiome engineering and pathogen control.

研究背景

土传病原菌是世界范围内粮食生产面临的重大问题，除了造成农作物减产和经济损失外，由于植物-植物微生物组-病原体之间复杂的相互作用，控制土传病原菌的感染成为了一大难题。目前，越来越多的证据表明，土壤微生物组对植物的生长和健康具有重要的影响，但是尚不清楚是由哪些细菌类群驱动的。

研究以番茄青枯菌为研究对象，将目光集中在土壤中的稀缺资源上，病原菌入侵后，寄主植物根际病原菌种群数量急剧增加，稀缺资源是更重要的抢夺对象，而铁是许多酶必不可少的辅助因子，在土壤中主要以不溶性Fe³⁺形式存在，生物有效性很低，符合稀缺资源的条件。那么，根际微生物是否都能产生铁载体呢？哪些铁载体能够抑制病原菌的入侵？哪些又为病原菌入侵提供了便利呢？解答了这些问题，就能找到保护作物健康的关键。

研究结果

1. 根际土壤中的微生物类群

研究从80个根际样本中分离得到2150株细菌，主要隶属4个门35个科83个属，这些细菌涵盖了植物根际中通常存在的四个主要的门，分别为变形菌门（Proteobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）、拟杆菌门（Bacteroidetes）和放线菌门（Actinobacteria），分别占分离株总数的50%、24%、18%和8%，代表了根际样本中主要的微生物组分类水平。

图1. 根际微生物群和细菌分离株的多样性和分类学分类

2. 根际细菌铁载体对青枯菌生长的影响

使用CAS法对分离得到的2150株细菌的产生铁载体能力进行测定，发现超过95%的分离株都能产生铁载体，并且铁载体产量在铁缺乏状态下明显提高（图2a）。铁缺乏条件下根际细菌产生的铁载体能力与生长能力成正相关，但在富铁条件下不相关（图2b）。说明分泌铁载体是根际细菌间存在的普遍现象，并且对于铁缺乏条件下的细菌生长很重要。同时还发现，富铁条件下的细菌发酵液对青枯菌生长以促进作用为主，而铁缺乏的细菌发酵液对青枯菌生长影响更强烈，从几乎完全抑制生长到高水平促进生长均有发现，基于这一现象，作者提出可以将铁载体分为抑制型和促进型两类。

验证结果也表明，铁缺乏发酵液补足铁后对青枯菌生长的影响与富铁发酵液无显著差异（图2c），这表明铁载体是在铁缺乏的条件下细菌相互作用的主要驱动力。

图2. 根际细菌产生的铁载体及其对番茄青枯菌生长的影响。(a) 在铁缺乏和富铁条件下，根际分离株的相对铁载体产量；(b) 不同处理下根际分离菌铁载体产量与生长状态相关性；(c) 不同处理下根际细菌发酵液及铁载体对青枯菌生长的作用

研究结合细菌分类学对铁载体的产生以及铁载体介导的病原体生长进行预测，观察到铁载体产生（C_mean = 0.262，P <0.001）和铁载体介导的生长效应（C_mean = 0.148，P <0.001）均具有显著的系统发生信号，作者将这一模型用于综合预测铁载体介导的根际细菌对青枯菌生长的作用，发现抑制作用最强的是与青枯菌系统发育距离相对较近并产生大量铁载体的分离株。

图3. 根际分离菌与铁载体介导的病原菌生长作用之间的关系。(a) 根际分离细菌分类地位与铁载体产生及作用之间的关系; (b) 18个丰度较高属的根际分离细菌铁载体产生和作用情况; (c) 根际分离菌与青枯菌间的系统发育距离、铁载体产生及铁载体介导的作用之间的关系。

3. 田间条件下病原体与根际细菌共生状况

为了验证铁载体介导的生长效应是否与田间条件下病原体和根际细菌共生的模式相关，研究结合16s rRNA和qPCR，发现与产生抑制类群的类群竞争时，病原体的生长降低显著（R² = 0.16，n = 2,150；图4a），产生抑制性铁载体的类群往往与病原体以高密度共存，而产生促进型铁载体的类群与病原体以低密度共存（图4b）。说明铁载体是根际细菌与病原菌争夺根际核心稀缺资源铁素的秘密武器。

图4. (a) 实验室铁缺乏条件共培养时青枯菌生长与铁载体介导作用之间的关系; (b) 田间铁载体介导作用与根际细菌-青枯菌共存能力之间的关系

研究使用360种随机选择的细菌分离株之一预先定殖的番茄植株，测试了铁载体介导的相互作用是否会影响病原体入侵植物根际并引起疾病的能力。结果显示，接种促进型铁载体细菌的植株，病害发生率较高，接种抑制型铁载体的植株，病害发生率较低，说明铁载体介导的相互作用与青枯菌生长和植物保护均显著相关。

图5. 铁载体介导的作用与温室试验植株病害相关指标的关系