近日，东北农业大学吴凤芝教授团队和南京农业大学韦中教授在解析植物多样性种植提高植物生产力机理方面取得重要进展，成果以《Interspecific plant interaction via root exudates structures the disease suppressiveness of rhizosphere microbiomes》发表于植物学国际权威期刊《Molecular Plant》。该研究通过根际菌群移植、根际微生物组测序和分离培养、根系分泌物组分分析等实验，发现了在分蘖洋葱-番茄伴生体系中，分蘖洋葱通过诱导番茄根系分泌物变化而促进番茄根系对有益微生物的招募，从而提高了番茄根际微生物组抑病力、抑制了番茄黄萎病，研究从根际微生物学角度丰富了植物种间互惠作用机理。
导读
集约化农业极大地提高了农业生产效率，但不合理的集约化管理措施导致的土壤质量下降、土传病害加剧等连作障碍问题日益突出，制约了集约化农业可持续发展。多样性种植体系中，植物间可以通过种间互惠作用提高植物生产力。例如，间套作等多样性种植模式可以抑制作物病害、促进作物生长。作物健康与根际微生物组紧密相关，研究发现多样性种植可以改变植物根际微生物群落组成、提高根际有益微生物丰度。但是，植物根际微生物组在多样性种植抑制植物土传病害中的作用、以及植物种间互作影响根际微生物组构建的机制仍不清楚。研究者前期发现，分蘖洋葱伴生可以有效促进番茄等作物生长，并能抑制番茄黄萎病等土传病害发生（图1）。本研究以分蘖洋葱-番茄伴生体系为模式，解析了根系分泌物影响邻居植物根际微生物招募的机理。
图1分蘖洋葱与其它作物伴生田间照片(A)及本研究科学假设模式图(B)
主要结果
1. 伴生改变了番茄根际微生物组、抑制了番茄黄萎病
分别在自然土壤、灭菌土壤和杀细菌剂硫酸链霉素处理土壤中进行盆栽实验，验证了微生物组在抑制番茄黄萎病中的作用（图2A）。发现在自然土壤中，与单作番茄相比，伴生处理的番茄具有较高的生物量、较低的黄萎病病情指数和根际黄萎病菌V. dahliae丰度。但是，灭菌土壤和杀细菌剂处理土壤中，伴生和单作处理具有相似的番茄生物量、黄萎病病情指数和根际V. dahliae丰度（图2A）。接下来的根际菌群移植实验进一步发现，与单作番茄根际微生物组相比，伴生处理番茄根际微生物组抑制了番茄黄萎病（图2B）。
2. 番茄根际细菌群落组成
扩增子测序分析发现，伴生改变了番茄根际细菌群落组成（图2C）。同时，伴生显著增加了番茄根际Bacillus sp. OTU889和总Bacillus sp.的丰度（图2D、E）。定量PCR分析进一步证明了伴生显著增加了番茄根际总Bacillus sp.丰度。另外在伴生系统中，总Bacillus sp.和OTU889丰度在分蘖洋葱根际低于番茄根际。
图2 根际微生物组在伴生抑制番茄黄萎病中的重要作用
3. 分蘖洋葱根系分泌物调控了对番茄黄萎病的抑制和Bacillus sp.根际定殖
通过地下分隔实验分析了分蘖洋葱根系分泌物在伴生系统中的作用（图3A）。结果发现，黄萎病病情指数在30 µm尼龙膜间隔处理(REE，限制两种作物根系接触、允许根系分泌物交流)与无隔膜处理(Inter,允许根系接触及根系分泌物交流)间相同，但均低于实体塑料膜间隔处理(Mono,无根系接触及根系分泌物交流) （图3B）。同时，不同间隔处理间番茄根际细菌群落不同（图3C）。番茄根际总Bacillussp.和OTU889丰度在30 µm尼龙膜间隔处理中高于其它处理（图3D）。接下来，通过盆栽实验研究了外源添加分蘖洋葱根系分泌物对番茄黄萎病的影响（图3E）。结果发现，外源分蘖洋葱根系分泌物抑制了番茄黄萎病、增加了番茄根际总Bacillussp.丰度。
图3 根系分泌物介导的植物种间互作
4. Bacillus sp.对番茄黄萎病抑制作用的验证
为了验证Bacillus sp.对番茄黄萎病的抑制作用，从番茄根际分离可培养细菌，其中有67株为Bacillus sp.。这些菌根据系统发育关系可分为三大类群，从每个类群中挑选了1株菌B56、B18和B76（图4A）。它们与OTU889的序列相似性分别为100%、96.02%和96.02%。其中，B56对V. dahliae具有最强的体外抑制活性、抑制番茄黄萎病能力（图4B、C）。通过分根系统研究了B56能否通过诱导植物系统抗性抑制番茄黄萎病。实验在番茄一侧根系接种Bacillus sp.菌株，在另一侧接种V. dahliae（图4B）。结果发现，Bacillus sp.菌株能抑制番茄黄萎病，并增强抗性基因的表达（图4C、D）。
图4 Bacillus sp.对番茄黄萎病的抑制作用
5. 分蘖洋葱分泌的二氢槲皮素调控了Bacillus sp.在番茄根际定殖
接下来分析了伴生抑制番茄黄萎病可能是因为：(1)番茄招募Bacillus sp.能力的增强，或者(2)分蘖洋葱根系分泌物对Bacillus sp.、V. dahliae的直接作用。首先，通过分根系统分析了分蘖洋葱及其根系分泌物对Bacillus sp.根际定殖的影响。结果发现，在番茄一侧种植分蘖洋葱或施加分蘖洋葱根系分泌物促进了Bacillus sp. B56在另一侧根系的定殖（图5A）。
接下来，通过UPLC–MS分析发现了分蘖洋葱根系分泌物中含有一种特异的高丰度黄酮类化合物：二氢槲皮素（图5B）。分根系统实验发现，二氢槲皮素刺激了Bacillus sp. B56在番茄根际定殖（图5C）。同时，在伴生处理分蘖洋葱和番茄根际土壤中检测到了二氢槲皮素(分别为0.0196和0.0025 μmol g-1 soil)；但在单作番茄根际土壤中未检测到该物质（图5D）。
进一步的通过盆栽实验发现，在自然土壤中二氢槲皮素(0.001-0.1 μmol g-1 soil)抑制了番茄黄萎病、增加了番茄根际Bacillus sp.丰度（图5E）。但是，高浓度二氢槲皮素(1.0 μmol g-1 soil)降低了番茄根际Bacillus sp.丰度、促进了番茄黄萎病。
最后，分析了分蘖洋葱根系分泌物和二氢槲皮素对Bacillus sp. B56和V. dahliae的直接作用。发现，在体外和土壤中，分蘖洋葱根系分泌物和二氢槲皮素未影响B56的生长。分蘖洋葱根系分泌物和二氢槲皮素(体外实验浓度0.001-0.1 mM，土壤实验浓度0.001-0.1 μmol g-1 soil)未影响V. dahliae生长（图5F）。高浓度二氢槲皮素(体外实验浓度1.0 mM，土壤实验浓度1.0 μmol g-1 soil)对V. dahliae具有抑制作用。
图5 二氢槲皮素影响了Bacillus sp. B56在番茄根际定殖
6. 番茄根系分泌物的改变促进了Bacillus sp. B56在番茄根际定殖
研究了分蘖洋葱能否通过改变番茄根系分泌物，从而促进B56在番茄根际定殖。首先，与外源添加单作番茄根系分泌物相比，外源添加伴生处理番茄根系分泌物在灭菌土壤中增加了番茄根际B56丰度，在自然土壤中增加了番茄根际Bacillus sp.丰度（图6A）。接下来用过体外实验研究了番茄根系分泌物对B56趋化性和生物膜产生的影响。结果发现，与单作番茄根系分泌物相比，伴生处理番茄根系分泌物对B56具有更强的趋化作用和促进生物膜产生的能力（图6B）。同时，分蘖洋葱根系分泌物和二氢槲皮素(0.001-0.1 μmol g-1 soil)处理的番茄根系分泌物也具有这种促进作用。
最后，通过UPLC–MS分析了番茄根系分泌物对B56吸引作用的增强是否是由于其组分的变化（图6C）。结果发现，伴生改变了番茄根系分泌物，尤其是增加了苹果酸、富马酸、柠檬酸、精氨酸、色氨酸、果糖和葡萄糖的含量（图6D）。0.001-0.1 μmol g-1 soil的二氢槲皮素处理增加了番茄根系分泌物中苹果酸、柠檬酸和精氨酸含量，0.001-0.01 μmol g-1 soil的二氢槲皮素处理增加了富马酸、色氨酸和果糖含量。体外实验发现，这些改变的分泌物组分(5 - 40 μM)能吸引B56、促进B56生物膜的产生。
图6 番茄根系分泌物的变化及对Bacillus sp.根际定殖的影响
结论
综上，番茄根系能感知分蘖洋葱根系分泌物释放的信号物质(如二氢槲皮素)。之后，番茄改变自身根系分泌物组分，从而招募了有益微生物、塑造了抑病型根际微生物组。番茄根际招募的有益微生物能通过直接拮抗作用和诱导植物系统抗性抑制番茄黄萎病。
全文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674205223000734
论文信息
原名：Interspecific plant interaction via root exudates structures the disease suppressiveness of rhizosphere microbiomes
译名：根系分泌物介导的植物种间互作塑造了根际微生物组抑病力
期刊：Molecular Plant
DOI：https://doi.org/10.1016/j.molp.2023.03.009
发表时间：2023.3
通讯作者：韦中，吴凤芝
通讯作者单位：南京农业大学资源与环境科学学院，东北农业大学园艺园林学院
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