【LorMe成果】有益菌群优化根际微生态以促进植物健康生长
摘要
植物生长依赖于其相关根际微生物组提供的一系列功能，包括养分矿化、激素协同调控和病原抑制。因此，提高植物相关微生物的能力以实现这些功能，对发展稳健和可持续的作物生产非常重要。然而，目前尚不清楚益生菌菌剂的有益效果及机制。本研究中，我们通过靶向引入8株植物相关假单胞菌菌株组成的益生菌菌群来促进番茄植株生长。研究发现，益生菌组合接种的效果依赖于丰富度（richness-dependent）：含更多种假单胞菌的组合在番茄根际密度更高，对多种植物生长特性的有利影响更明显。相比将有益植物的性状与益生菌群落同时引入现有群落，土著群落多样性、组成的变化和增加初始稀有类群的相对丰度可以更好地解释以上影响。我们的结果表明，微生物引入的有益效应由植物根际土著微生物群落的多样性和组成间接驱动。
图1 有益菌能够提供的各有益特征
随着接种的有益菌群丰富度的增加，提供给植物的微生物群落功能数量也有所增加，包括植物地上部生物量、植物组织中的钾、磷酸盐和铁的浓度以及对青枯菌感染抗性的增加（图2b）。只有植物组织中的氮含量不受接种有益菌群多样性的影响（图2b）。接种有益菌群的影响随着接种有益菌群丰富度的增加而增加，并且与特定假单胞菌菌株的存在无关（无显著的有益菌菌株个体效应，表1；图2b）。这表明每个菌株对有益菌群提高微生物群落多功能性的能力均做出了贡献。
有益菌群接种对土著微生物群落的影响
接下来，我们通过高通量测序试验确定接种的有益菌群对微生物群落多功能性的影响是由于土著微生物群落结构和多样性的变化引起的，还是由接种的假单胞菌菌株所携带提供的有益功能特征有关。我们发现，拥有更高多样性的有益菌群在根际中的存活率更高，用phlD基因的丰度表示。在对照处理中，土著微生物群落中phlD基因的背景值低于0.001%，而接种有益菌群的处理中的phlD基因含量介于0.01%至0.25%之间（图3A）。这种接种菌株低丰度的结果与在自然系统中接种有益菌群的有限存活保持一致，表明接种的菌株不太可能对整个微生物群落的功能产生强烈的直接影响。因此，我们接下来探讨了有益菌群多样性对土著微生物群落结构和多样性的影响。所有有益菌群的接种均显著降低了根际的总细菌数量（图3B），表明接种的有益菌群与土著微生物群落之间存在潜在的拮抗作用。
图3 接种有益菌群后根际有益假单胞菌和总细菌数量
此外，有益菌群的接种引起了土著微生物群落结果的变化，且这种变化随着接种有益菌群的丰富度增加而增加（表1；图4A）。即使考虑了接种菌株的个体效应，丰富度的影响仍然显著。随着接种的有益菌群丰富度的增加，土著微生物群落的多样性增加，由4个和8个菌株组成有益菌群的效果最佳（表1；图4B）。接种有益菌群后，稀有微生物的丰度更有可能增加（图4C，c²1,8607=22.45，P <0.0001；图5），而丰度本身较高的微生物丰度则趋于减少（图4C，c²1,8607=6.51，P<0.0001）。从系统发育的角度看，细菌菌门的候选种WS6、嗜热菌、螺旋体、钩端细菌和小球菌的丰度随接种有益菌群多样性的增加而增加（图5）。共发生网络分析显示，根际微生物群落的两个假单胞菌OTU与接种的假单胞菌菌株相匹配（序列与引入的菌株相匹配且其丰度随接种有益菌群的丰富度增加而增加）。这些OTU与根际土著微生物群落中的一些其他OUT丰度呈正相关，这些微生物属于小球菌，变形杆菌，放线菌，拟杆菌和糖细菌（图4D）。这表明接种的益生菌菌株具有促进土著稀有细菌生长的潜力。
表1 有益菌群多样性和根际有益菌数量对土著微生物区系组成、多样性和区系功能多样性的影响。
图4 引入的菌剂对土著微生物群落组成和多样性的影响
图5 根际区系中各细菌门丰富度与有益菌群多样性相关系数和根际区系中各细菌菌门相对丰富度的关系
有益菌群接种对根际微生物群落多功能性的直接和间接影响
结构方程模型被用来揭示接种有益菌群对根际微生物群落功能的直接（由接种的有益菌群的特性介导）和间接影响（由土著微生物群落的改变介导）。我们发现接种的有益菌群的功能特征（图1b）并未转化为根际微生物群落水平的功能。
由于有益菌群丰富度与根际微生物群落提供给植株的功能均呈正相关关系，我们假设有益菌群丰富度的影响是由对根际土著微生物群落的间接影响介导的。为了进一步研究，我们利用接种有益菌群处理后测得的植株功能性状指标计算了多功能指数，并计算了根际微生物群落结构改变对这一多功能指数的贡献。我们发现利用室内测得的有益菌群综合功能特征不能预测有益菌群对根际微生物区系多功能性的影响。然而，有益菌群接种处理引起的土著根际微生物群落结构的变化对根际微生物区系多功能性具有很高的解释度（图6）。这些结果共同表明，接种的有益菌群通过改变土著根际微生物群落的结构及其功能来间接地提高植物的生长和养分获取，而不是通过接种的有益菌群所携带的促进植物生长的有益特征。
图6 结构方程模型（SEM）比较有益菌群接种对根际微生物群落多功能性的直接和间接影响
有益菌群接种影响土著微生物区系变化的潜在机制
为了进一步了解土著微生物区系功能变化的潜在机制，我们评估了室内测得的有益菌群促进植物生长的有益功能特征与土著根际微生物群落结构变化之间的关系。我们发现，第一个主成分轴受到有益菌群植物生长素和赤霉素产生的影响。相反，第二主成分轴与接种的有益菌群的资源利用谱宽度相关，这通常是反映细菌竞争能力的指标。综合这些结果表明，接种的有益菌群通过影响植物的生长和资源分配而间接改变了微生物群落的组成。它们通过争夺资源直接影响了微生物群落的组成，而由抗生素介导的拮抗作用似乎只起了微乎其微的作用。
结论
由多种能够直接促进植物生长、保障植物健康的有益菌组合而成的有益菌群可以促进植物的生长。这种促生作用是由接种有益菌群后驱动的土著根际微生物区系群落结构、多样性和功能的变化导致的，而不是由于接种的有益菌群引入的有益特征引起的。在未来的研究中，探明微生物的功能特性及其与土著微生物群落之间的相互关系，为构建具有更多功能的高效有益菌群以重塑土著微生物群落奠定理论基础。
全文链接：
https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rspb.2021.1396