【LorMe成果】抑制病原青枯菌的帮手——消减土壤青枯菌生物障碍新策略
根际微生物群落构成了抵御土传病原菌的第一道防线。迄今为止，大多数根际微生物群落抵抗病原菌的研究都聚焦于根际微生物如何直接抑制土传病原菌的生长。但有研究表明，一些根际细菌能够促进病原菌的生长，成为土传病原菌在根际定殖增长的帮手。那么此类帮手在防控土传青枯病的过程中发挥着什么样的作用呢？我们假设抑制此类帮手有助于降低病原菌入侵的能力。在本研究中，我们检测了土传青枯菌、其细菌帮手和番茄根际细菌之间的三方互作关系，并分析了影响青枯菌生长的直接（根际细菌对青枯菌生长的影响）和间接（根际细菌对青枯菌细菌帮手的影响）作用对控制土传青枯菌的影响（图1）。结果发现，番茄根际细菌对青枯菌细菌帮手的抑制作用（间接作用）是抑制土传青枯菌的主要决定因素。因此，控制微生物组组成以防止病原菌帮手的生长可能成为消减土壤青枯菌生物障碍新策略。
图1 根际细菌对病原菌生长的直接和间接影响
本研究中，我们将单个根际细菌(R) 对病原菌(P)生长的影响细分为该根际细菌对病原菌的直接作用和由该根际细菌与病原菌的细菌帮手(H)相互作用介导的间接作用。
从番茄根际分离到的160株非冗余细菌中，有 26.9% 能显著抑制青枯菌的生长，而50.6% 能显著促进青枯菌的生长（图2A）。它们分别是青枯菌的细菌抑制者和细菌帮手。这些番茄根际细菌主要分别来自于变形菌门、厚壁菌门、拟杆菌门和放线菌门等4个门类（图2B）。尽管在每个门中都发现了青枯菌的抑制者和帮手，但二者的相对比例存在明显的门级差异（图2B）。例如，厚壁菌门中，有42.5%的根际分离菌株对青枯菌的生长有显著抑制作用，而在变形菌门（49.1%）、拟杆菌门（51.6%）和厚壁菌门（63.9%）中，均发现有较大比例的根际细菌显著促进青枯菌的生长（图2C)。
图2 番茄根际青枯菌的细菌帮手和抑制者菌株的分类特征
为了研究细菌帮手在防控土传青枯病的过程中发挥的作用，我们首先选择了两株青枯菌的细菌帮手Phyllobacteriumifriqiyense (Pi)和Microbacteriumparaoxydans (Mp)。它们均能在离体条件下显著促进青枯菌的生长(图3A)，显著提高青枯菌在番茄植株根际的定殖能力(图3B)，并可以提高番茄植株青枯病发病的严重程度(图3C)。然后，我们从收集的160株根际细菌中选择了46个，它们对青枯菌的生长有不同的直接作用，包括促进、抑制和无影响；紧接着，我们检测了这46个根际细菌分别对两个细菌帮手Mp和Pi生长的影响，并将这些影响定义为根际细菌对青枯菌生长的间接作用（图1）。当同时考虑每个根际细菌对青枯菌生长的直接作用和间接作用时（图3D），发现其中16个根际细菌表现出正的直接作用和正的间接作用（P+H+)，8个表现出负的直接作用和正的间接作用（P-H+)，30个表现出负的直接作用和负的间接作用(P-H-)，38个表现出正的直接作用和负的间接作用(P+H-)。
图3 根际细菌帮手对青枯菌生长定殖及番茄植株发病程度的影响（A-C），以及根际细菌对青枯菌的直接作用与间接作用
无论是在细菌帮手Pi还是Mp存在的情况下，根际细菌对青枯菌的直接作用和间接作用都能够在一定程度上影响青枯菌在离体条件下的生长、在番茄根际的定殖以及番茄植株的发病程度（图4）。但有趣的是，图4中的R平方值表明，间接作用比直接作用能在更大程度解释对青枯菌的生长定殖以及番茄植株的发病程度的影响。所以，根际细菌对青枯菌细菌帮手的抑制有可能可以间接限制青枯菌的生长，并降低青枯病的严重程度。
图4 在细菌帮手存在的情况下，直接作用与间接作用对青枯菌生长定殖和番茄植株发病程度的影响
从土传病害防控的角度考虑，我们将聚焦于当根际细菌既能抑制青枯菌生长又能抑制其细菌帮手生长时的情况（如，图 3C 中的第三象限“H-P-”）。我们构建了一个模型来预测根际细菌对青枯菌的直接抑制作用和间接抑制作用对青枯菌生长定殖和青枯病严重程度的相对影响。结果发现，根际细菌对病原菌帮手生长的间接抑制作用比对病原菌本身的直接抑制作用更能预测病原菌在体外的生长情况、根际的定殖情况以及青枯病发病的严重程度（图5）。
图5 在细菌帮手存在的情况下，直接抑制与间接抑制作用对青枯菌生长定殖和番茄植株发病程度的相对影响
番茄根际普遍存在土传病原青枯菌的细菌帮手，它们对青枯菌的生长定殖以及青枯病的防控发挥着重要作用：与直接抑制病原青枯菌本身相比，抑制其帮手能更有效地减少根际青枯菌数量，进而降低青枯病发病程度。总体来说，除了根际细菌与土传病原菌之间的直接相互作用外，根际细菌之间相互作用对病原菌的间接影响对于确定病原菌能否成功入侵以及宿主植物的健康也非常重要。因此，为了实现更好地防控植物土传病害的爆发，我们需要改变一直以来只以病原菌为重点的观点，考虑通过管理整个土壤微生物组组成的方式来寻找对病原菌的综合生物防治策略。
全文链接：
https://doi.org/10.1038/s41396-021-01126-2