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文献解读|保护性微生物的减少促进了果实病害的发生

 

简介

 

微生物对于植物的健康和生产力至关重要,越来越多的研究揭示了有益微生物在植物病害防控中的作用,它们通过直接抑制病原体生长或间接激活植物诱导系统抗性(ISR)来保护植物。该研究旨在通过16S、ITS测序及微生物可培养方法,探讨花生根部和果实在不同种植条件下招募的不同细菌和真菌群落,及其与果实病害发生的关系。

 

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英文标题:Depletion of protective microbiota promotes the incidence of fruit disease

中文标题:保护性微生物的减少促进了果实病害发生

发表时间&期刊:2024.05 &The ISME Journal(IF:11)

测序技术:16S、ITS扩增子测序

 

 技术路线 

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 主要结果 

 

1.单作(MP)导致花生减产且病害更严重

为了探究耕作方式对花生的影响,分别在单作和轮作(RP)后的田地种植花生(图1A)。结果表明,与轮作相比,单作导致荚果数量显著降低,同时荚果病害程度显著升高(图1B)。

 

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图1 单作增加花生果实病害

 

2.单作改变微生物群落多样性及组成

与田间试验一致,用MP土壤栽培的果实病害程度显著高于用RP土壤的(图2B),MP显著提高了Chloroflexi的相对丰度而降低了Acidobacteriota的相对丰度(图2CD)。与RP相比,MP也降低了细菌和真菌群落的α多样性(图2EF)。此外,用MP和RP土壤栽培下的花生不同部位细菌和真菌群落也存在明显的差异(图2GH)。

 

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图2 单作改变微生物群落多样性及组成

 

3.根际(YR)和果实表面(GE)招募了不同的细菌及真菌群落

为了寻找MP和RP条件对YR和GE微生物群有显著影响的细菌和真菌,通过LEfSe得出,YR比GE富集的物种多。MP条件下GE富集了具有抗真菌及促生能力的细菌Sphingomonas、Streptomyces、Bradyrhizobium,以及引起植物病害的真菌 Aspergillus(图3)。

 

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图3 根系和果实招募不同的细菌和真菌群落

 

4. 单作使果实表面芽孢杆菌减少而曲霉菌增多

轮作条件下果实表面显著富集Bacillus,单作则显著富集Aspergillus(图4A)。与轮作相比,单作显著增加了果实表面Aspergillus的丰度(图4B),降低了Bacillus的丰度(图4C)。在相同的种植条件下,GE和YR之间的Bacillus丰度无显著差异,表明种植方式是果实表面Bacillus丰度下降的决定因素。此外,Aspergillus丰度与果实病害正相关(图4E),而Bacillus丰度与果实病害负相关(图4F)。

 

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图4 单作使果实表面芽孢杆菌减少而曲霉菌增多

 

5.合成菌群1对曲霉菌生长的抑制效果好于单个菌株

从果实表面共分离到29株真菌,41株芽孢杆菌。选择A. flavus GE1和A. niger GE2(二者均能引起果实较为严重的病害)这2株病原菌,以及B. cereus GE1、B. amyloliquefaciens GE2、B. altitudinis GE3(三者对2株病原菌的生长有直接拮抗作用)这3株细菌,并将其混合作为合成菌群1进行后续实验(图5GH)。

 

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图5 菌株拮抗实验

 

首先通过荧光实验测定了合成菌群对曲霉菌生长的影响,结果表明,合成菌群1的抑制效果好于合成菌群2(由B. halotolerans GE7、Paenibacillus sp. GE8、B. siamensis GE10组成)以及单个菌株的(图6AB)。之后在果实表面接种菌株进行验证:与单一芽孢杆菌菌株及合成菌群2相比,合成菌群1进一步降低了果实表面两株曲霉菌的丰度(图6CD)。

 

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图6 合成菌群1对曲霉生长的抑制作用优于单一芽孢杆菌

 

6.合成菌群1降低果实病害 

利用单作后的大田土壤来进行盆栽实验,探究合成菌群1是否能降低果实病害。与对照相比,loc和syst组在接种合成菌群后,果实病害分别降低了56.78%和32.15%(图7),表明合成菌群1不仅能降低局部的病害,还可以诱导植物产生系统抗性。

 

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图7 合成菌群1降低病害

 

此外,接种合成菌群1提高了果实表面细菌和真菌的α多样性;同时芽孢杆菌的相对丰度显著升高,曲霉菌的相对丰度显著降低,二者相对丰度呈显著负相关(图8)。

 

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图8 降低病害的微生物机制

 

7.合成菌群1激活诱导性系统抗性

由于对照和syst组果实表面芽孢杆菌和曲霉菌的相对丰度无显著差异,推测合成菌群1通过诱导植物产生系统抗性来降低病害。通过测定果壳中茉莉酸、水杨酸和脱落酸的含量,并分析果壳中与之相关的防御标记基因的表达模式,证实了合成菌群1激活茉莉酸介导下的诱导性系统抗性。

 

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图9 合成菌群激活诱导性系统抗性

 

研究结论

 

该研究以花生为材料,揭示了植物不同器官微生物组的特异性,通过曲霉菌与芽孢杆菌之间的相互作用、土壤微生物组分析和植物免疫分析,揭示在单作条件下,果实病害频发与土壤中保护性菌的减少密切相关。

 

参考文献:

[1] Luo Xue, Sun Kai, Li Haoran. et al. Depletion of protective microbiota promotes the incidence of fruit disease. The ISME journal. 2024

 

 


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