Nat. Commun.| 中国农业科学院生物技术研究所联合南京农业大学、河南大学发现镰刀菌病害下根际微生物组的普遍响应模式与植物招募策略

导言

近日，Nature Communications发表了一篇文章，首次通过大规模整合分析揭示，番茄等作物在遭受镰刀菌枯萎病侵袭时，其根际会一致性地富集黄杆菌属细菌，并发现植物通过分泌特定代谢物主动招募这些有益微生物的智能机制。

背景

土传镰刀菌病害严重威胁全球农作物安全，但植物如何系统调控根际微生物组以增强抗病性，特别是是否存在跨环境的普遍规律，仍是未知领域。

主要内容

1. 从混乱中找规律：Meta分析锁定关键生物标志物

研究团队创新性地整合分析了全球37项扩增子与4项宏基因组研究数据，涵盖198份根际样本。尽管细菌群落总体多样性变化不一，但多元统计与机器学习分析清晰显示，镰刀菌感染显著驱动了根际菌群结构的一致性改变。黄杆菌属被一致鉴定为感病根际最稳定、最具预测性的核心生物标志物。

2. 根系的“求救信号”：生育酚乙酸酯是关键招募者

当番茄感染病原菌后，其根系分泌物谱发生重编程。研究发现，代谢物生育酚乙酸酯在感病植株根际中特异性显著富集。体外实验证实，该物质能强力促进从病株根际分离的黄杆菌（如安徽黄杆菌K5菌株）的生长，是植物主动“招募”益生菌的关键化学信号。

3. 从定殖到御敌：益生菌功能与协同增效验证

被招募的黄杆菌并非“旁观者”。对峙实验表明，安徽黄杆菌K5能有效抑制番茄镰刀菌的生长。更重要的是，在温室实验中，将黄杆菌K5与生育酚乙酸酯联合施用，相比单独处理，对病害的防控效果提升最为显著，病害指数降至22.7%，防控效能高达72.3%，展现出优异的协同增效作用。

4. 机制的深化：代谢物如何激活益生菌

深入研究揭示，生育酚乙酸酯不仅吸引黄杆菌，更能上调其体内与碳水化合物代谢、营养摄取相关的基因表达，从而显著增强了菌株的代谢活性和在根际的定殖竞争能力，为其发挥生防功能奠定了基础。

总结

该研究揭示了植物在逆境下通过代谢编程精准调控根际微生态的一种普遍模式，为开发基于信号分子与益生菌协同的绿色防控新策略提供了关键理论基础。

作者信息

中国农业科学院生物技术研究所苏律副研究员和河南大学农学院冯海超研究员为共同第一作者。

生物技术研究所燕永亮研究员和南京农业大学资源与环境科学学院张瑞福教授为共同通讯作者。

论文链接

https://doi.org/10.1038/s41467-024-55699-2