Adv Sci:河南农业大学殷冬梅团队解析根际有益菌群激活花生免疫提高青枯病抗性的新机制
近日，河南农业大学殷冬梅教授团队联合南京林业大学、中国科学院南京土壤研究所等单位在Advanced Science上发表了题为“Resistant peanut genotype reprograms rhizosphere metabolism to enhance bacterial wilt suppression”的研究论文。该研究揭示了高产、高抗青枯病花生新品种“农大花108”（缩写为H108）通过精准招募根际有益菌群并协同激活自身免疫的抗青枯病分子机制，同时成功开发出一种可规模化应用的益生元制剂，能够显著提高花生青枯病抗性，为作物土传病害的绿色防控提供了新方案。花生是我国重要的油料和经济作物，总产量居世界首位。花生青枯病是一种毁灭性土传病害，产量损失可达50%以上，甚至绝收。培育高产、高抗青枯病的花生新品种是解决这一产业问题的关键。“农大花108”是殷冬梅教授培育的高产、高抗青枯病的花生新品种，入选全国推广面积前十大品种。农大花108如何既高产又抗病？能否从该品种自身的“基因智慧”出发，找到一种既生态友好又高效精准的防控策略？为了破解这一难题，研究团队选取“农大花108” （缩写为H108）和高感青枯病品种“农大花107”（缩写为H107），分别种植在河南信阳青枯病高发地块和郑州健康地块，在其不同生长发育阶段采集根际土壤和根系样本，综合运用16S rRNA微生物组测序、非靶向代谢组学、转录组测序等多组学技术，开展了从“根际微生态”到“植物体内免疫”的系统解析。为了解农大花108抗青枯病过程中的植物-细菌群落互作，进行了16S rRNA扩增子测序。结果表明，在青枯菌侵染下，抗病品种H108根际的微生物多样性显著高于感病品种H107，并且其群落结构发生了明显的有利重塑。具体来说，H108根际青枯菌的相对丰度比H107低了约40倍。与此同时，多种有益细菌在H108根际被显著富集，如Kosakoniaradicincitans、 Frankia、 Bradyrhizobium、Mesorhizobium等。同时，研究团队通过对抗病品种根系转录组的深入分析发现，H108在青枯菌侵染后，水杨酸信号通路被强烈激活。将一个命名为Ah10g050800的PR1基因瞬时过表达后可显著增强植物对青枯菌的抗性，说明抗病品种H108通过精准招募根际有益菌群并协同激活自身免疫的抗青枯病新机制。对根际土壤中代谢物进行了全面分析，锁定了一组包括甜菜碱、精氨酸和水杨酸在内的核心代谢物。这些代谢物在抗病品种H108根际中的含量显著高于感病品种，并且它们与前述有益菌的丰度呈显著正相关，与青枯菌的丰度呈显著负相关。更有趣的是，这些代谢物中的水杨酸也是植物体内系统性获得性抗性信号通路的关键激活剂。这就形成了一个巧妙的正反馈循环：抗病花生在病原菌胁迫下，一方面通过根部分泌代谢物，主动招募有益菌；另一方面，这些代谢物又作为信号分子激活体内的系统性获得性抗性，进一步增强植物自身的免疫力。图1 花生关键代谢物协同调控根际微生态与系统性免疫根据多组学分析筛选出的关键代谢物，选择甜菜碱、精氨酸和水杨酸等三种安全、成本可控的化合物，按特定比例复配，研制出一种新型花生益生元制剂。室内抑菌试验表明甜菜碱、精氨酸、水杨酸单独使用时对青枯菌有抑制作用，三者复配后抑菌效果显著增强，表现出协同增效作用。盆栽试验表明无论是通过水培根系处理还是土壤灌根处理，益生元均能显著降低感病品种H107的青枯病病情指数，从0.90以上降至0.05–0.08，且不影响植株正常生长。该益生元对花生白绢病也表现出显著的抑制效果。研究团队在信阳青枯病重病田和郑州健康田同时开展了益生元大田试验应用。通过种子浸泡+苗期根施的方式，结果表明：在青枯病重田快，感病品种H107的发病率在未处理组高达84.2%，而经过益生元处理后，发病率降至5.0%，防效高达94.1%。同时益生元也具有显著的增产效果，在病害压力下，益生元处理使感病品种H107的产量得以保留84.9%；在健康田块，益生元处理使花生增产12.87%–20.30%。益生元处理后，有益菌丰度显著升高，而青枯菌丰度下降；同时根系中水杨酸信号通路相关基因的表达也显著上调，表明益生元发挥了“根际重塑+免疫激活”的双重作用。综上所述，该研究首次在花生中建立了从“根际代谢物–有益菌群–植物免疫”的完整证据链，揭示了作物抗病性背后“内外协同”的智慧策略。这一发现丰富了对植物-微生物互作的理论认知，也为其他作物土传病害的防控提供了可借鉴的研究范式。河南农业大学农学院青年教师任锐副教授和南京林业大学李孝刚教授为论文共同第一作者，河南农业大学殷冬梅教授和马兴立副教授为共同通讯作者。中国科学院南京土壤研究所王兴祥研究员对该研究提供了重要指导。该研究得到了国家自然科学基金、中原学者基金、河南省重点科技攻关等项目支持。殷冬梅教授领衔的河南农业大学花生功能基因组创新团队，依托于河南省花生基因组与分子育种工程技术研究中心，主要从事花生基因组与功能基因挖掘，产量和抗病等性状形成机制与调控等方面的研究。围绕花生种业“卡脖子”等重要科学问题开展工作，已在Nature Genetics、Advanced Science、Genome Biology、Plant Biotechnology Journal、New Phytologist等国际著名期刊上发表了150余篇学术性文章，取得多项原创性研究成果。
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