【Microbiome】华南农业大学揭示了有机肥非微生物组分调控番茄miRNAs分泌抑制青枯病的分子机制

近年来，植物-病原体-根际互作关系已成为学界研究热点。其中，抑病土壤微生物组作为植物抵御土传病原菌的天然保护屏障，其核心功能依赖于根际微生物组关键成员、植物根系分泌物及病原菌抑制作用的协同调控，“求救”机制是当前解释这一免疫过程的主流理论。然而，现有研究对“求救”机制的解析多局限于根系分泌物介导的有益微生物招募，却未能阐明植物如何主动调控根际微生物组功能基因以精准增强抗病性；在此背景下，真核生物与原核生物通过microRNA（miRNA）进行的跨界对话，为解析宿主-微生物互作机制提供了新的研究路径。

2025年7月5日，华南农业大学廖新俤教授课题组在国际著名期刊《Microbiome》发表了题为“Organic fertilizer enhances the secretion of microRNAs from tomato roots to facilitate beneficial rhizosphere microorganism expansion and suppress Ralstonia solanacearum proliferation”的研究论文。该研究首次揭示有机肥通过“非微生物组分-植物miRNAs-根际微生物”的级联调控网络抑制番茄青枯病，为土传维管束病害的绿色防控提供了分子靶标与理论依据。

1 番茄青枯病抑病土壤的形成

为明确施肥方式对抑病土壤发育的影响，研究者构建了有机肥（OF）与化肥（CF）处理的番茄六代连续种植体系，监测病害指数与病原菌丰度动态：

①代际动态显示，两组病害指数均随种植代次下降，但第六代OF组病害指数（52.43%）显著低于CF组（64.33%），抗性提升幅度达18.5%（图 1A-B）

②定量PCR检测证实，OF组植株地上部及根际土壤中青枯菌绝对丰度均显著低于CF组（图 1C-D）

上述结果表明，长期有机肥施用可定向培育抑病土壤，其病原菌抑制效应显著优于化肥。

图1 不同施肥处理下番茄病害指数与病原菌绝对丰度

2 番茄miRNAs向根际土壤分泌

基于真核生物胞外囊泡介导miRNAs转运的理论，研究者探究番茄miRNAs的根际分泌特性：

①透射电镜观察显示，OF与CF组根际土壤中均存在典型外泌体样胞外囊泡结构，为miRNAs的根际转运提供载体证据（图 2A-B）；

②对8种番茄抗病相关候选miRNA的定量分析表明，在根际土壤中可检出6种具有数据库注释的miRNA，且第六代OF组这6种miRNA的表达量均显著高于CF组，其中sly-miR159的表达水平在两组中均最高（图 2C）；

该结果首次证实番茄根系可通过外泌体样囊泡向根际分泌miRNAs，且有机肥可显著诱导抗病相关miRNAs的分泌。

图2 不同处理组根系分泌miRNAs分析

3 根际微生物组测序与有益菌分析

研究者通过16S rRNA基因测序解析施肥对根际微生物组的调控效应：

①α多样性分析显示，长期有机肥处理使根际土壤细菌群落丰富度（Chao1 指数）与多样性（Shannon 指数）显著高于CF组，β多样性（PCoA 分析）表明两组微生物群落结构差异显著（图 3A-B）；

②相关性分析显示，在丰度前30的菌属中，链霉菌属（Streptomyces）、芽胞杆菌属（Bacillus）等8个菌属的丰度与青枯菌绝对丰度呈显著负相关，其中6个菌属同时与病害指数呈负相关（图 3C）；

据此筛选链霉菌属、芽胞杆菌属为核心有益菌属，为后续miRNAs-微生物互作研究奠定基础。

图3 不同施肥处理组根际微生物组分析

4 番茄miRNAs与根际微生物组的相关性分析

为明确调控病害的核心miRNAs，研究者对6种抗病miRNA与根际优势菌属进行相关性分析：

①仅sly-miR159、sly-miR319c-3p、sly-miR166与病害指数呈极显著负相关（图 4A）；

②在丰度前30的菌属中，13个菌属与番茄miRNAs呈正相关，其中sly-miR159是唯一同时与链霉菌属、芽胞杆菌属（核心有益菌属）呈显著正相关的miRNA（图 4B）；

进一步预测显示，这3种miRNA可能通过靶向青枯菌的功能基因调控其增殖，提示sly-miR159可能是“调控有益菌-抑制病原菌”的关键分子。

图4 miRNAs与病害指数及根际前30菌属的相关性分析

5番茄miRNAs与根际微生物组的相关性分析

为明确番茄关键miRNAs对病原菌青枯菌及有益菌生长的影响，研究者通过体外共培养实验验证其功能：

①菌株筛选显示，芽胞杆菌属中枯草芽胞杆菌（B. subtilis）占比46.67%，链霉菌属中弗氏链霉菌（S. fradiae）占比29.63%，选定这两种菌株进行后续实验（图 5A）；

②病原菌抑制实验：sly-miR159在11-25h内显著抑制青枯菌生长，sly-miR319c-3p从23h起表现抑制效应，而sly-miR166与阴性对照（NC）无显著差异（图 5B-E）；

③有益菌促进实验：sly-miR159可使枯草芽胞杆菌在10-17h生长速率提升 23%-35%，使弗氏链霉菌在3-29 h内持续增殖（图 5F-I）；

该结果直接证实sly-miR159兼具“抑病原菌-促有益菌”的双重功能。

图5  miRNAs对微生物生长的影响

6  有机肥潜在功能组分分析

研究者将有机肥拆分为全有机肥（F）、可溶性组分（S）、微生物组分（M）、非微生物组分（NM），探究其功能分工：

①病害防控效应：F组与S组的病害指数及青枯菌丰度显著低于CF组，M组与NM组效果次之（图 6A-B）；

②miRNA诱导效应：F组与S组的sly-miR159、sly-miR319c-3p、sly-miR166丰度显著高于CF组，且NM组核心miRNAs丰度在多数代次中高于M组，表明非微生物组分是miRNAs分泌的主要诱导因子（图 7A）；

③有益菌富集效应：F组与S组的链霉菌属、芽胞杆菌属丰度在多数代次中最高，NM组与CF组较低，提示微生物组分是有益菌的主要来源（图 7B）；

综上，有机肥通过“非微生物组分诱导miRNAs分泌+微生物组分提供有益菌”的双机制协同增强番茄抗病性（图 7C）。

图6  不同有机肥组分处理下番茄病害指数与病原菌绝对丰度

图7 不同有机肥组分处理下有益菌绝对丰度与番茄根源miRNAs丰度分析

在本研究中，作者阐明了有机肥调控番茄抗青枯病的分子机制：有机肥中的可溶性大分子非微生物组分诱导番茄根系通过外泌体样胞外囊泡分泌sly-miR159、sly-miR319c-3p等关键miRNA，这些miRNA一方面直接抑制青枯菌增殖，另一方面促进链霉菌属、芽胞杆菌属等有益菌生长；同时，有机肥微生物组分为根际补充有益微生物群落，进一步强化抑病效应。该发现解答了植物如何精准调控根际微生物组功能基因以增强抗病性的疑问，为靶向设计miRNAs诱导型有机肥及番茄青枯病绿色防控提供了新策略。

推文作者：广西大学农学院资源利用与植物保护24级研究生周非

全文链接：

https://doi.org/10.1186/s40168-025-02137-3