土壤微生物群落

土壤中既有有益微生物，也有能侵害作物的病原微生物，在健康的土壤微生物生态系统中，土壤病原菌较难入侵作物。然而，在经济作物种植区，由于化肥农药的长期过量投入和经济作物的单一连作，导致土壤生态环境失衡，土传病害频发，作物减产严重。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。

植物根系富集了种类繁多的微生物，而植物的免疫系统也会对这些外来的客人产生不同的响应“战争”。这场“战争”有效推动了植物与微生物基因库中有益等位基因的固定。已有研究发现，调控免疫系统的相关基因会影响植物根系微生物的组成，添加不同的微生物也会影响免疫系统相关基因表达量的变化，许多能够帮助植物抗病的细菌、真菌也相继被发现，表明植物免疫系统和根系微生物之间是相互影响的。

图1 土壤根际微生物与宿主植物互作

近期，南京农业大学韦中老师课题组在Science Advances、Nature Biotechnology、Microbiome等杂志连续发表高水平研究文章，在土壤微生物与宿主抵御病原菌入侵方面取得重要进展。

2019-Science Advances

苗期根际土壤细菌群落结构和功能决定作物未来健康

DOI: 10.1126/sciadv.aaw0759

2019年9月25日，南京农业大学韦中老师课题组在土壤微生物与作物健康领域取得重要进展，成果以题为“Initial soil microbiome composition and functioning predetermine future plant health”发表在国际顶级学术期刊《科学进展》（Science Advances，IF5y=13.293）。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，为此研究设计了一个非破坏性根际土壤样品连续采集装置，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。

本研究分析发现苗期健康土壤中芽孢杆菌和假单胞菌等具有抑制病原菌能力的关键拮抗有益菌的丰度显著高于发病土壤。宏基因组分析也发现苗期健康土壤中聚酮类和非核糖体肽类等关键抑菌物质合成基因的丰度也显著高于发病土壤，说明苗期土壤细菌群落可能通过产生抑菌物质，形成竞争互作型群落，进而有效抑制作物中后期病原菌的入侵，保障作物一生健康。这一发现，为根际菌群互作调控指明了方向——初始土壤微生物组的组成和功能会决定植株未来的健康状况，且微生物组介导的植物保护可通过土壤移植影响下一代植株状况。

图2 根际土连续采集装置示意图（A）和田间试验设计（B）

详细解读见链接：

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

2019-Nature Biotechnology

使用复合噬菌体疗法防治番茄青枯病取得重大突破

DOI: 10.1038/s41587-019-0328-3

2019年12月2日，南京农业大学Ville-Petri Friman，韦中及沈其荣共同通讯在Nature Biotechnology在线发表题为“Phage combination therapies for bacterial wilt disease in tomato”的研究论文。该研究通过温室和田间实验评估了在番茄复杂的根际微生物组中使用噬菌体靶向治疗致病性细菌茄青枯病的情况，研究了噬菌体抗性的进化是否会通过权衡取舍而影响病原体的竞争力和生长，并研究了噬菌体是否间接改变了其组成、多样性和功能。

尽管噬菌体作为一种治疗手段很早就被提了出来，但是在应用上仍然处于比较初级的阶段。特别是在噬菌体疗法的安全性、特异性和诱导抗性等方面的讨论也一直在持续进行。在这样的背景下，能够以实验方法证实噬菌体疗法的可靠性、安全性显得尤为关键。由于这项研究使用了田间试验的设计，所以成果非常贴近实际。其主要结论之一，使用噬菌体治疗后，可以帮助根际菌群的结构向好，对于噬菌体疗法的未来广泛应用可能提供了十分积极的生态学观点指引。

图3 噬菌体对田间试验中根际微生物群落相互作用关系的影响

详细解读见链接：

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

2020-Microbiome

根际原生动物群落是决定植物健康的关键因素

DOI: 10.1186/s40168-020-00799-9

2020年3月3日，韦中博士团队再发根际微生态与植物健康研究新成果——研究以“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。

在本研究中作者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。研究发现，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。

值得注意的是，共生网络中的特定连接仅仅提供了潜在的相互作用信息，但是进一步验证其中的相互作用机理，需要特定的共培养实验，这也是作者后续研究的方向。

图4 健康与发病植株整个生长过程中吞噬型原生动物OTU丰度、细菌OTU丰度与代谢Q基因的共发生网络

展望

植物微生物组在改善农作物产量，防止生物和非生物胁迫，以及对人类的健康生存和发展方面具有不可忽视的作用。目前植物-微生物互作研究如火如荼，潜力不可忽视。

2019年New Phytologist综述详细阐述了植物-微生物快速进化关系，并且总结提出分子基因组学时代植物与微生物相互作用快速进化的十个有趣问题，值得我们关注，如下：

1.植物与微生物相互作用的快速发展（在定量上以及相对于其他系统而言）如何？

2.这些快速进化的机制是否主要用于微生物和植物？

3.自然生态系统和农业环境之间的快速演变有何不同？

4.同一物种的分离株或生态型之间的次生代谢发展有多快？

5.植物病原体转录可塑性的机制基础是什么？

6. sRNA是否在相互作用的生物体中快速共同进化？

7.在植物病原体中倍性的灵活性有多广泛？