植物微生物专题 | 营养素和剂量依赖性微生物组介导的植物病原体保护

植物相关的微生物群落可以促进植物养分吸收，生长和对病原体的抗性。

近年来对植物根际微生物群落的研究很多，例如：感染了番茄叶病原体丁香假单胞菌病原体（Pst）的拟南芥植物增加了苹果酸根的分泌，从而吸引了枯草芽孢杆菌到根部并导致更强的宿主对Pst的反应。

但是，关于地上叶围微生物群落的存在是否以及如何增加宿主对病原体的抗性，知之甚少。

科学家通过设定五组不同的独立实验（下图），研究了番茄叶围微生物是如何赋予植物对细菌斑点Pst的致病因子的抵抗力，并提出了以下四个结论。

1、叶围微生物群落为抗病原菌的定植提供了保护

为了研究番茄植物的叶围微生物群如何影响叶片的Pst定植，研究人员首先用不同剂量（undiluted or 85% diluted）的“leaf wash”（LW）、无菌缓冲液冲洗番茄植物叶片（每个处理3个重复），然后再接种Pst。24h后检测叶片中菌群含量发现，喷洒LW的植物与喷洒无菌缓冲液的植物相比具有更高的细菌密度（下图A）；接种Pst后，喷洒LW的植物叶面具有更低的Pst密度（下图B; Z = 2.084; p = 0.035），LW剂量对Pst有一定影响。

2、植物-微生物系统中，菌群浓度对微生物介导的保护作用存在很大影响

为了直接测试在第一个实验中观察到的剂量依赖性效应，研究人员构建了一个由从田间生长的番茄叶中分离的12个细菌菌株组成的叶围群落（CC）菌剂，并设置四种浓度：100％稀释（无菌缓冲液），75％稀释（75％无菌缓冲液; 25％CC），稀释50％;或未稀释，一周后接种Pst。

结果表明在感染后24小时，叶片喷洒菌剂的植物具有比无菌缓冲液喷洒的植物更低的Pst密度（F1,10 = 4.957; p = 0.05）。菌剂剂量间差异显着（下图A; F3,8 = 6.129; p = 0.018），最大差异在75％稀释和未稀释的喷雾之间（Dunnett's T3; p = 0.019）。

依次滴加12中分离菌剂喷雾（上图B），观察到的非线性关系（Pst密度峰值在5或6个菌剂）表明保护作用不能简单地通过特定物种的存在或不存在来解释，但可能是由于植物引发从群落中丢弃更多的假单胞菌分离株。研究中的菌群CC由多个假单胞菌组成，并且已经证实一些假单胞菌可以引发植物免疫系统，并且通过对次级代谢物的直接抑制和对碳资源竞争而减少根际病原体密度。

3、肥料影响微生物群落介导的保护

在土壤中添加了肥料后并重复了植物菌群剂量实验。令人惊讶的是，我们先前观察到的剂量依赖性效应在施肥后被消除。我们发现肥料施用对Pst密度的主要影响（下图; F1,14 = 14.041; p = 0.002）与叶面积增加之间存在相互作用。研究表明了农业环境中宿主的营养环境（例如肥料施用）可以从根本上改变对宿主-微生物随时间相互作用，特别是在病原体存在下。另一项研究同样证明，当限制磷酸盐含量时，与根相关的微生物可以增强植物的免疫系统。最近拟南芥的研究表明，土壤成分可以改变植物对丁香假单胞菌的敏感性。这些结果都增加了宿主营养状态对宿主微生物相互作用的重要性的支持。

这种实验之间的差异可以通过跨群落的微生物组-病原体竞争的强度来解释。重要的是，我们所有的CC分离株均在KB培养基上培养，Pst生长良好。叶片微生物和Pst的共存先前已经显示出与碳源利用概况的相似程度成反比。在营养匮乏的环境中，养分的可用性会影响微生物群落的动态变化和”入侵者”的成功入侵；在营养充足的环境中，快速增长的“土著”菌能够与“入侵者”竞争。研究中六种天然来源的LW群落几乎肯定比CC菌群具有更高的功能和代谢多样性，因此叶表面糖的变化可能不会像对CC菌群那样对这些群落产生强烈的影响。

4、体外细菌生长实验表明微生物-微生物直接影响病原体生长，同时植物介导存在间接影响

施肥和CC剂量的供体植物对体外Pst和CC的生长具有显着的交互作用，施肥植物的叶匀浆在喷洒稀释的CC时导致比未施肥植物更低的生长（p = 0.009）。相反，当喷洒高剂量CC时，来自施肥植物的叶匀浆比未施肥植物支持更大的细菌生长，这表明未施肥的叶匀浆具有更少的可用资源。

研究中观察到的植物保护失去的原因可能是施肥与叶面微生物组之间相互作用的结果。对于未施肥的植物，随着植物中肥料诱导的变化，微生物相互作用是驱动观察到的叶围介导的保护的关键因素。

结论：叶围微生物群落可能在植物保护方面发挥重要作用，且养分的增加会消除微生物组介导的保护作用。总之，这些结果与农业环境中微生物组介导的保护和使用植物益生菌增加抗病性有明显的相关性。

参考文献：Nutrient- and Dose-Dependent Microbiome-Mediated Protection against a Plant Pathogen. Current Biology, 2018.