- 介绍 -
番茄枯萎病是由尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum f.）引起的。 sp。 番茄病（FOL）是一种重要的土传病害，在我国大面积番茄产区发生。 根际微生物组在宿主防御病原菌和维持植物健康方面发挥着重要作用。 分析与植物抗病相关的微生物组组成和机制，通过分离培养发现和验证关键微生物组成分的功能，对于植物病害的绿色防控具有重要的科学意义。 以往的研究很少关注与植物健康也密切相关的真菌群落，对细菌、真菌、病原体及其宿主之间的多种相互作用认识不足。
2022年12月22日，中国科学院微生物研究所蔡雷团队在《Nature Communications》上发表研究论文《Cross-kingdom Synthetic Microbiota Supports Tomato Suppression of Fusarium wilt Disease》（论文链接：）。 研究小组发现根际微生物组多样性与镰刀菌枯萎病发病率之间存在显着相关性； 通过大规模分离培养，获得高覆盖率的根际微生物资源库； 并基于健康微生物组网络中的基石物种和特异性，通过选择物种富集和拮抗功能物种的菌株，建立高度多样化的跨界人工菌群； 利用番茄无菌育苗实验系统验证了合成菌群的功能，揭示了合成菌群在原位条件下抑制番茄枯萎病的功能和作用机制。 审稿人评论说，这项工作提供了“数据和实验的杰作，我认为对该领域做出了重要贡献”。
- 结果-
植物根际微生物群落是植物与土壤等环境相互作用的介体，也是植物防御反应的第一驱动力。 本研究对黑龙江省和山东省温室和自然田间种植的番茄进行分析，发现温室和自然田间番茄根际微生物群落结构、多样性以及枯萎病发病率存在显着差异（图1）。 与温室番茄相比，天然大田番茄的细菌和真菌多样性更高，枯萎病发病率更低（图1）。
图1 温室番茄和自然大田番茄的生长情况、番茄枯萎病症状及其病原菌FOL的形态特征； 温室和自然大田番茄细菌和真菌群落的α和β多样性组成图及FOL相对含量
通过比较温室番茄和自然大田番茄的共生网络的结构差异，研究小组发现温室和自然大田番茄的微生物共生网络存在显着差异。 天然田番茄比温室番茄具有更高的聚类系数和更高的模块化程度。 和网络稳定性（图 2）。 通过分析温室和自然田间番茄微生物组成的差异，研究人员发现，天然田间番茄中共有151个细菌类群和133个真菌类群显着富集。 这些天然田间番茄植株中显着富集的微生物包括芽孢杆菌属、枝孢属、木霉属、假单胞菌属和青霉属。 、根瘤菌、链霉菌等具有抑制FOL致病菌潜力的微生物。 进一步，通过随机森林机器学习，发现了33个细菌属和20个真菌属，它们是天然田番茄的重要指标群体。 （图2）。
图2 温室番茄和自然大田番茄的微生物共生网络组成； 天然田番茄根际细菌和真菌基石物种的组成； 天然田番茄中细菌和真菌的随机森林生物标志物分析
微生物分离培养是将微生物组相关数据升级为因果关系分析和功能机制验证的重要桥梁。 研究人员利用培养组学技术，使用9种不同碳/氮源组合的细菌和真菌培养基分离培养根际微生物，共获得4992株细菌和1011株真菌。 对比高通量测序结果，在属级分类层面，分别分离获得了53.7%和56.3%的高丰度（>0.1%）细菌和真菌（>0.05%）； 在科级分类层面，通过分离和培养分别获得了72.9%和60%的高丰度细菌和真菌，达到同类研究中最高的分离覆盖水平。 随后，团队通过平板对抗法筛选出53株FOL拮抗细菌和47株真菌（图3）。
图3. 番茄根际细菌和真菌丰度高(>0.1%)的zOTU系统发育树； 拮抗细菌和真菌对抗FOL病原体板； 内圈的彩色环代表不同的真菌门； 色环外圈的热量 该图表示不同采集地点高丰度细菌的相对丰度差异； 外圈的粉红色矩形或椭圆形代表分离培养的高丰度微生物。
基于自然场中番茄根际的网络基石物种、特异富集物种和拮抗功能物种，研究人员选取了205个不同菌株（100个真菌、105个细菌）构建合成细菌群落进行功能验证。 通过构建番茄不育苗和不同的合成菌群组合，探讨合成菌群抑制番茄枯萎病的效果及机制。 研究共8组，包括：真菌组（Fun SynComs）、细菌组（Bac SynComs）、跨界细菌组（CrossK SynComs）、空白对照组（CK）、真菌+FOL组（FunFOL SynComs） 、细菌群+FOL群（BacFOL SynComs）、跨界菌群+FOL群（CrossKFOL SynComs）和病原菌FOL群（CK+FOL）。 研究结果表明，人工菌群在前期（接种后21天）的差异性明显高于后期（接种后22～42天），且Bac SynComs随时间的波动性更高比 Fun SynComs 的。 与CK相比，Bac SynComs和Fun SynComs均能有效抑制番茄枯萎病，其中CrossK SynComs对番茄枯萎病的抑制效果最好（图4）。
图4 番茄幼苗接种后不同SynComs中细菌菌群和真菌菌群随时间变化的群落相似性组成； 不同群体番茄植株的发病率； FOL 致病菌相对丰度的变化。 不同合成菌群中细菌和真菌的丰度很高。 科分类级别组成
研究人员发现，CrossK SynComs可以显着激活宿主应激/疾病相关代谢途径，如ABA刺激反应、水解酶活性调节、植物过敏、丝氨酸/苏氨酸磷酸酶活性调节、刺激反应、氮/磷代谢相关途径等Bac SynComs 和 Fun SynComs 在激活番茄免疫和代谢相关信号通路方面存在显着差异。 例如，Bac SynComs激活茉莉酸信号通路、盐应激信号通路、热刺激信号通路、渗透应激信号通路、过氧化氢信号通路和温度。 它在刺激信号通路方面发挥着重要作用，Fun SynComs 在激活碳水化合物通路、磷代谢通路、蛋白质磷酸化通路和有机酸分解代谢通路方面发挥着重要作用（图 6）。
图 5. 接种不同 SynCom 后，番茄幼苗中不同 SynCom 的细菌和真菌群落随时间的动态变化。
本研究引入“真菌组”构建高度多样性的跨界微生物群落，并验证其与宿主相互作用抑制番茄枯萎病的功能和机制。 该研究揭示了不同合成菌群的演替变化、与宿主的相互作用以及抑制番茄枯萎病的功能和机制。 研究成果将为抗病微生物制剂的开发提供新思路。
图6 不同人工菌群处理后番茄植株中水杨酸和茉莉酸途径的相对表达量； GO代谢途径的富集； 接种细菌菌群、真菌菌群和跨界菌群后番茄中显着差异表达的基因。 维恩图和抗性基因的差异组成
该研究得到了国家杰出青年基金、中科院战略生物资源计划、真菌学国家重点实验室杰出青年基金的资助。 特别研究助理周鑫博士为论文第一作者，蔡雷研究员为通讯作者。 研究团队包括王锦婷硕士、刘芳副研究员、梁俊民副研究员、赵鹏副研究员、中国科学院海外青年计划（PIFI）访问学者徐CKM。 医生也参与了这项工作。 我们要感谢马克斯·普朗克植物育种研究所的 Paul Schulze-Lefert 教授和 Paloma Durán 博士对本文的审阅和宝贵的建议。
参考
周X，王JT，刘F，梁JM，赵P，徐CKM，蔡L*。 跨界合成微生物群支持番茄抑制镰刀菌枯萎病。 自然通讯 13, 7890 (2022)。
- 关于作者-
第一作者
中国科学院微生物研究所
周欣
博士
周鑫，男，博士，中国科学院微生物研究所特聘研究助理，iMeta杂志青年编委。 目前主要从事微生物组与植物相互作用生态学研究，利用宏基因组学挖掘植物抗逆性相关关键因素。 微生物通过结合培养组学、转录组学、代谢组学等方法，阐明关键微生物群在帮助植物抵抗疾病方面的功能。 在Nature Communications、Food Control、Food Research International、Microbial Ecology等期刊发表学术论文16余篇，其中以第一作者（含共同作者）8篇，获得中国发明专利授权1项。
通讯作者
中国科学院微生物研究所
蔡雷
研究员
蔡雷，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，国家自然科学基金委“杰出青年”、“杰出青年”候选人。中国、中国科学院“百人计划”。 主要从事真菌多样性与分类学、植物病原真菌检疫与监测、植物微生物组研究。 他担任亚洲真菌学会副主席和国际真菌分类委员会成员。 在Studies in Mycology、Nature Communications、Fungal Diversity、Microbiome等国际核心期刊发表国际专着1部、论文180篇，总引用次数超过15000次，h-index = 54，入选Clarivate Analytics 2019、2020和 2022 年。“全球高被引科学家”，Elsevier Scopus-2021 年高被引科学家。
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