跨界合成微生物群落增强番茄对镰刀枯萎病抗病能力

Cross-kingdom synthetic microbiota supports tomato suppression of Fusarium wilt disease

Research Article，2022-12-22，Nature Communications， [IF 17.69]

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35452-6

第一作者：周欣

通讯作者：蔡磊

主要单位：中国科学院微生物研究所

- 简介 -

由尖孢镰刀菌番茄专化型（Fusarium oxysporum f. sp. Lycopersici，FOL）造成的番茄枯萎病是重要的土传病害，在我国番茄种植区大面积发生。根际微生物组在宿主抵御病原菌侵染，维持植物健康方面发挥着重要作用。解析与植物抗病相关微生物组的构成及其作用机制，并通过分离培养挖掘并验证微生物组关键组分的功能，对于植物病害的绿色防控具有重要的科学意义。过往的研究对于与植物健康同样密切相关的真菌群落关注很少，并且对细菌、真菌、病原菌及其与宿主间的多元互作关系的理解还不足。

2022年12月22日，中国科学院微生物研究所蔡磊团队在Nature Communications上发表（Cross-kingdom synthetic microbiota supports tomato suppression of Fusarium wilt disease）的研究论文（论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-35452-6）。该团队揭示了根际微生物组多样性与枯萎病发病率的显著相关性；通过开展大规模分离培养获得高覆盖度的根际微生物组资源库；并依据健康微生物组网络中的基石物种、特异富集物种、及拮抗功能物种选择菌株建立了高多样性的跨界人工合成菌群；运用无菌番茄幼苗实验体系验证了合成菌群功能，揭示了合成菌群在原位条件下抑制番茄尖孢镰刀枯萎病的功能和作用机制。审稿人评价这项工作提供了一个“数据与实验的杰作，并对领域作出了重要贡献(a tour de force of data and experiments and I think makes an important contribution to the field)”。

- 结果 -

植物的根际微生物群落是植物与土壤等环境交互作用的媒介，也是植物防御响应的第一驱动因素。该研究对黑龙江和山东两省温室和自然田间种植的番茄分析发现，温室和自然田间番茄根际的微生物群落结构、多样性以及枯萎病发病率都显著不同（图1）。相较于温室番茄，自然田间番茄具有更高的细菌、真菌多样性和更低的枯萎病发病率（图1）。

图1. 温室番茄和自然田间番茄生长、番茄枯萎病病征及其病原菌FOL的形态特征；温室和自然田间番茄细菌和真菌群落α和β多样性组成图以及FOL相对含量

通过对比温室番茄和自然田间番茄的共发生网络结构差异，研究团队发现温室与自然田间番茄的微生物共发生网络显著不同，自然田间番茄比温室番茄具有更高的聚类系数、更高的模块性、以及网络稳定性（图2）。通过分析温室与自然田间番茄的微生物组成差异，研究人员共发现151个细菌taxa和133个真菌taxa显著在自然田间番茄富集。这些自然田间番茄植株显著富集的微生物中，包括芽孢杆菌属（Bacillus）,枝孢菌属（Cladosporium），木霉菌属（Trichoderma），假单胞菌属（Pseudomonas）,青霉菌属（Penicillium），固氮菌属（Rhizobium），链霉菌属（Streptomyces）等具有潜在抑制病原菌FOL功能的微生物，进一步通过随机森林机器学习找到了33个细菌属和20个真菌属是自然田间番茄中重要的指示类群（图2）。

图2. 温室番茄和自然田间番茄微生物共发生网络组成；自然田间番茄根际细菌和真菌基石物种组成；自然田间番茄细菌和真菌随机森林Biomarkers分析

微生物分离培养是将微生物组学关联性数据提升至因果关系解析与功能机制验证的重要桥梁。研究人员运用培养组学技术，采用9种不同碳/氮源组合的细菌和真菌培养基对根际微生物进行分离培养，共获得细菌4992株和真菌1011株。对比高通量测序结果，在属级分类水平上，有53.7%和56.3%的高丰度（> 0.1%）细菌和真菌（> 0.05%）分别被分离所获得；在科级分类水平上，有72.9%和60%的高丰度细菌和真菌分别被分离培养所获得，达到了同类研究中很高的分离覆盖度水平。此后团队通过平板对峙法筛选获得FOL拮抗细菌53株以及真菌47株（图3）。

图3. 番茄根际高丰度细菌和真菌（>0.1%）zOTUs的系统发育树；拮抗细菌和真菌与FOL病原菌平板对峙；内圈的彩环代表不同的真菌门；彩环外圈的热图代表不同采集地高丰度菌的相对丰度差异；外圈的粉色矩形或椭圆形代表获得了分离培养的高丰度微生物

研究人员基于自然田间番茄根际的网络基石物种、特异富集物种、及拮抗功能物种，选择了205株（100株真菌，105株细菌）不同菌株构建人工合成菌群以供功能验证。通过构建番茄无菌幼苗及不同组合的人工合成菌群组合探究合成菌群抑制番茄枯萎病的作用效果及机制。研究共设置8个分组，包括：真菌组（Fun SynComs）、细菌组（Bac SynComs）、跨界菌群组（CrossK SynComs）、空白对照组（CK）、真菌+FOL组（FunFOL SynComs）、细菌+FOL组（BacFOL SynComs）、跨界菌群+FOL组（CrossKFOL SynComs）和病原菌FOL组（CK+FOL）。研究结果表明：人工合成菌群前期（接种后21天）群落的不相似度显著高于后期（接种后22至42天），并且Bac SynComs随时间的差异波动高于Fun SynComs。相较于CK，Bac SynComs和Fun SynComs都能有效抑制番茄枯萎病，并且CrossK SynComs具有最好的抑制枯萎病效果（图4）。

图4. 接种番茄幼苗后，不同SynComs中细菌菌群和真菌菌群随时序的群落相似度组成；不同分组番茄植株发病率；FOL病原菌相对丰度变化不同人工合成菌群中高丰度细菌和真菌的科分类水平组成

研究人员发现CrossK SynComs能显著激活寄主抗逆/病相关的代谢途径，例如ABA刺激反应、水解酶活性的调控、植物超敏反应、丝氨酸/苏氨酸磷酸酶活性的调控、刺激反应、氮/磷代谢相关途径等。Bac SynComs和Fun SynComs在激活番茄免疫及代谢等相关信号通路显著不同，例如，Bac SynComs在茉莉酸信号通路，盐胁迫信号通路，热刺激信号通路，渗透胁迫信号通路、过氧化氢信号通路以及温度刺激信号通路等方面发挥了显著作用，而Fun SynComs在激活碳水化合物途径、磷代谢途径、蛋白质磷酸化途径和有机酸分解代谢途径等方面发挥显著作用（图6）。

图5. 接种不同的SynComs后，番茄幼苗中不同SynComs中细菌和真菌群落随时序的动态变化

该研究引入“真菌组”构建高多样性的跨界微生物菌群并验证了其与宿主互作抑制番茄枯萎病的功能和作用机制。研究揭示了不同人工合成菌群的演替变化、与宿主互作关系、抑制番茄枯萎病的功能及机制，研究结果将为抗病微生物制剂的开发提供新的思路。

图6. 不同人工合成菌群处理后番茄植株的水杨酸和茉莉酸途径相对表达含量；GO代谢通路富集；细菌菌群、真菌菌群及跨界菌群接种后的番茄显著差异表达基因韦恩图以及抗性基因差异组成

该研究获得国家杰出青年基金、中国科学院战略生物资源计划以及真菌学国家重点实验室优秀青年基金的资助。特别研究助理周欣博士为论文第一作者，蔡磊研究员为通讯作者，课题组王金婷硕士、刘芳副研究员、梁俊敏副研究员、赵鹏副研究员、中科院外青计划（PIFI）访问学者Tsui CKM博士也参与了该项工作。感谢马克斯普朗克植物育种研究所Paul Schulze-Lefert教授和Paloma Durán博士对本论文的审稿工作及其宝贵建议。

参考文献

Zhou X, Wang JT, Liu F, Liang JM, Zhao P, Tsui CKM, Cai L*. Cross-kingdom synthetic microbiota supports tomato suppression of Fusarium wilt disease. Nat Commun 13, 7890 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-35452-6

- 作者简介 -

第一作者

中科院微生物所

周欣

博士

周欣，男，博士，中国科学院微生物研究所特别研究助理，iMeta期刊青年编委，目前主要从事微生物组与植物互作生态学研究，通过利用宏基因组学等挖掘与植物抗逆性相关的关键微生物，通过结合培养组学、转录组、代谢组学等手段，阐明关键微生物类群在帮助植物抗病等方面功能。现发表学术论文16余篇，其中以第一作者（含共一）在Nature Communications, Food Control, Food Research International, Microbial Ecology等期刊上发表学术论文8篇，获中国发明专利授权1项。

通讯作者

中科院微生物所

蔡磊

研究员

蔡磊，博士，中国科学院微生物研究所研究员，真菌学国家重点实验室主任，基金委“杰青”、“优青”、中科院“百人计划”入选者。主要从事真菌多样性与分类学、植物病原真菌检疫与监测、植物微生物组等方向的研究工作。任亚洲菌物学会副主席、国际真菌分类委员会委员。发表国际专著一部，在Studies in Mycology、Nature Communications、Fungal Diversity、Microbiome等国际核心期刊发表论文180篇，总引用15000多次，h-index = 54，入选科睿唯安2019、2020、2022“全球高被引科学家”，爱思唯尔Scopus-2021高被引科学家。

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