【LorMe成果】SEL:种内互作对有益菌群挥发性有机物的分泌及其活性的影响
2月5日，LorMe实验室在根际微生态与植物健康取得进展，成果以“Effect of bacterial intra-species community interactions on the production and activity of volatile organic compounds”为题发表在Soil Ecology Letters期刊。王佳宁和梅新兰为共同第一作者，Waseem Raza副教授为通讯作者。团队沈其荣教授和韦中教授参与了该项研究。该研究同时得到国家自然基金和国家重点基础研究项目、中央高校基础研究基金、江苏省基金的支持。
摘要
微生物的代谢产物中除了有我们熟知的抗生素等难挥发性有机物，还包括易挥发的有机物（Volatile organic compounds, VOCs）。它们是一种小分子亲酯类化合物、可以通过土壤的孔隙传播扩散。在根际，微生物组对植物健康的影响直接取决于物种组成和多样性。这是由于微生物种间和种内的相互作用可能会影响微生物群落代谢物质的产生，而且部分代谢产物具有促进植物生长或抑制病原菌等功能。已有研究证明一些细菌产生的VOCs有抑菌和促生的功能，而且群落丰富度会影响群落所产VOCs介导的抑菌和促生功能，但尚不清楚种内互作如何影响VOCs的产生和功能。为此，本研究构建了两种属不同物种丰度水平的微生物群落，探究不同属的微生物种内互作和群落丰富度如何影响VOCs的产生以及抑菌和促生的功能。结果表明，假单胞菌属和芽孢杆菌属的细菌种内互作方式不同，但种群丰度的增加会提高所产生功能性VOCs的总量和多样性，进而增强其介导的抑菌和促生功能。
1.群落丰富度对菌群VOCs介导的抑菌和促生功能的影响
为探究菌群的多样性对其VOCs功能的影响，以具有抑制青枯菌生长和促生拟南芥生长的8株根际细菌（4株假单胞菌和4株芽孢杆菌）为对象，构建丰度度为1～4的假单胞菌菌群和芽孢杆菌菌群，检测不同组合VOCs介导的抑菌和促生功能的差异。发现假单胞菌菌群（图1A和B）和芽孢杆菌菌群（图1C和D）VOCs介导功能具有较高的一致性，其抑菌和促生均随菌群丰富度的增加而增加。
2.群落丰富度的提高增加了抑菌和促生VOCs组分的产量和种类
为揭示上述现象产生的原因，检测VOCs功能组分的种类和数量随菌群丰富度的变化规律。菌群VOCs介导的功能随菌株丰富度的增加而增加，推测VOCs功能组分的种类和数量也随随菌株多样性的增加而发生了改变。
为验证上述推测，利用固相微萃取针（SPME）收集不同丰富度水平的群落所产VOCs，通过气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）分析检测不同组合VOCs的构成和产量，分别检测不同组分的抑菌和促生效果，明确VOCs抑菌功能组分（PS VOCs）和促生组分（PGP VOCs）的种类。
结果表明，不论是假单胞菌属还是芽孢杆菌属，随着种群丰富度的增加，抑菌和促生功能VOCs的浓度都显著增加、种类数量也呈显著增加趋势（图2A-H）。因此，群落内的相互作用会通过提高功能VOCs的浓度和数量来提高抑菌和促生的功能。
图2 假单胞菌（A-D）和芽孢杆菌（E-F）的丰富度与抑菌和促生VOCs的种类和数量之间的关系
3.种内互作关系影响菌群VOCs介导的抑菌和促生功能
为了探究种内的互作关系如何影响VOCs介导的功能，通过测定不同群落的生产力确定不同有益菌群的种内互作关系。结果显示，假单胞菌的生产力（种群数量）随群落丰富度增加没有显著增加（图3A），而芽孢杆菌的生产力随群落丰富度增加显著降低（图3B）。
图3 细菌群落丰富度对假单胞菌群落（A）和芽孢杆菌群落（B）生产力的影响
进一步分析群落生产力与两种功能VOCs的种类和数量的关系，发现功能VOCs的种类和产量随群落生产力的增加，呈现先增加后降低的趋势（图4A-H）。当群落生产力适中时，菌群功能VOC的产量和种类达到最高水平；群落生产力过高或过低，都会抑制功能VOC的产量和数量。上述结果表明：种内相互关系在功能性VOCs的产生上发挥重要作用。
图4 假单胞菌属（A-D）和芽孢杆菌属（E-H）群落的生产力与抑菌或促生VOCs的种类和数量之间的关系
总结
本研究发现将同种有益菌进行组合时，抑制病原菌生长和促进植物生长的功能VOC的产量和种类随菌株多样性的增加而增加，其中种内拮抗型的相互作用（芽孢杆菌）有利于菌群产生更多类型和种类的VOC。因此，在构建合成有益菌群时，不仅要考虑菌群的多样性，还应考虑菌群内部的互作关系。
全文链接：
https://link.springer.com/article/10.1007/s42832-020-0054-2