【LorMe成果】“循序渐进”：根际细菌群落结构和功能演替及病原菌入侵抗性的建立
根际微生物组结构和功能特征随生长发育而改变，并与植物生长和健康有密切关系。不同时期的群落结构演化规律已有不少研究，但是关于功能多样性变化规律及潜在驱动机制的相关报道还较少。本研究利用高通量测序和分离株表型相结合的方法，展示了番茄根际细菌群落按照生态演替模式自发组装成高抑病性微生物区系的过程。发现根际微生物聚集是一个动态过程，从植物生长前期根际具有随机资源利用重叠物种的先锋群落到植物生长后期根际的高密度、功能互补的群落。通过测定从不同植物生长阶段分离出的细菌菌株的资源利用能力、抑菌能力和抗逆境特征，并将相关特征与合成菌群抵抗病原青枯菌入侵能力相关联，证明了功能多样性高的细菌群落能够更好地抵抗病原菌的入侵本研究表明生态位划分和群落演替是驱动根际微生物群落功能的重要因素，强调了幼苗对病害敏感的原因，为构建功能微生物组合，提升植物健康提供了理论支撑。
一、根际细菌群落丰度、多样性和结构受到植物生长发育的影响
根际总细菌数量随时间而增加：苗期根际细菌数量略高于土体土，果期根际细菌数量增加了十倍。根际细菌多样性低于土体土细菌多样性。土体土细菌群落结构与根际土不同。花期与果期的根际微生物群落非常相似。这些结果表明，根际细菌群落丰度、多样性和结构受到植物生长发育的影响。
图1 番茄不同生长阶段土体和根际细菌群落组成的动态变化
二、根际可培养细菌的分离与鉴定
我们从不同生长期番茄根际中分离并鉴定到331个可培养细菌，每个生长期约90种，分为4个门（变形杆菌，硬毛菌，拟杆菌，放线菌），以变形杆菌(52.3％)为主，其次是固溶菌（35.6%），放线菌（8.2%）和拟杆菌（3.6%）。分离出的细菌隶属于35个不同属。从根际中分离培养的变形杆菌和放线菌的比例随着植物的生长而增加，而拟杆菌属在植物生长的早期相对丰度最大。
图2 番茄根际可培养细菌的鉴定
三、细菌群落功能多样性与抗逆能力的动态变化
根际可培养的细菌群落功能多样性（碳源利用的多样性）随着植物生长增加，从幼苗期的低功能多样性至花期最高，而在果期阶段多样性则略有减少。花期和果期分离的菌群在碳源利用方面表现出更高的生态位互补性。花期和果期根际细菌非生物胁迫耐受性比土体土壤或苗期的分离株高。果期根际细菌应对低营养的表现最佳，而花期根际细菌具有最强抗氧化和耐盐能力。
图3 细菌群落功能多样性与抗逆能力的变化
四、根际细菌及重组合成菌群对病原青枯菌的抑制作用
从根际和土体中分离的细菌大多数对土传病原青枯菌有一定的抑制能力，抑制作用在果期达到最高水平。同一时期所筛选分离的细菌抑菌能力变异很大，这种变异在土体土最明显，在苗期根际最低，之后逐渐增加。
我们将每个根际分离的32株细菌进行重组，在共培养实验中评估了合成菌群抵抗病原青枯菌的入侵能力。发现所有组合均能一定程度上抑制病原菌的生长，但在花期分离株重组的效果最好。随后我们分析了合成群落的组成多样性、功能多样性、抗逆性和对病原菌的抑制作用（代谢物的拮抗作用）对共培养体系中群落抑制病原菌作用的贡献，发现功能多样性是抑病能力的最佳预测因子。相反，组成多样性、抗逆能力及单个菌株代谢物的拮抗作用不能很好的预测。
图4 番茄根际细菌（A-B）及重组合成细菌群落抑制病原青枯菌的能力（C）
番茄全生育期的根际微生物区系组成和功能多样性随植株生长而变化。幼苗根际对土传病原菌入侵更为敏感，花期根际微生物具有较强抵御土传病原菌入侵的能力，可能是筛选有益菌的最佳时期。花期根际细菌重组能够更有效地抵御土传青枯菌的入侵，其功能多样性（资源利用互补性高）是抵抗土传青枯菌入侵的关键。本研究明确根际有益菌的最佳筛选时期提供了一些参考。此外，在探讨根际微生物群落结构和功能演替方面，结合可培养（实测各种功能特性）和非培养技术可以更好地回答相关科学问题。
论文信息
原文：Rhizosphere microbiome functional diversity and pathogen invasion resistance build up during plant development
译名: “循序渐进”：番茄根际微生物组功能多样性及病原菌入侵抗性的建立
期刊：Environmental Microbiology
IF：5.147
发表时间：2020.5
通讯作者：韦中
第一作者：胡洁
作者单位：南京农业大学资源与环境科学学院