根际微生物群在番茄抗土传枯萎病(FWD)中的作用尚不清楚。本研究表明，FWD发病率与根际细菌和真菌群落多样性呈显著负相关。利用微生物培养方法，我们选择205株独特的菌株构建不同的合成群落(SynComs)，接种到无菌环境中，采用组学方法对番茄幼苗及其抑制FWD的作用进行监测。 植物的根际微生物群落是植物与土壤等环境交互作用的媒介，也是植物防御响应的第一驱动因素。该研究对黑龙江和山东两省温室和自然田间种植的番茄分析发现，温室和自然田间番茄根际的微生物群落结构、多样性以及枯萎病发病率都显著不同（图1）。相较于温室番茄，自然田间番茄具有更高的细菌、真菌多样性和更低的枯萎病发病率（图1）。
图1 自然种植(NF)和温室种植(GH)番茄植株的图像，以及不同地点的微生物多样性和群落组成
a上一行：番茄代表性的NF和GH采样点。
a下一行：番茄枯萎菌(FOL)的分离西红柿(最左);有代表性的FOL菌落在PDA上生长，分别从上方和下方拍摄(分别为中左和中右);具有代表性的FOL分生孢子形态(最右)(黑色比例尺= 10μm)。
b不同植物组(HLJNF、HLJGH、SDNF和SDGH) FWD病的发病率。
c真菌群落的Bray-Curtis不相似分析。
d细菌群落的Bray-Curtis不相似分析
e, f不同地点番茄根际样品中细菌(e)和真菌(f) zOTUs丰富度。
g黑龙江和山东番茄(n=5株生物独立植株)NF和GH的FOL水平比较。
通过对比温室番茄和自然田间番茄的共发生网络结构差异，研究团队发现温室与自然田间番茄的微生物共发生网络显著不同，自然田间番茄比温室番茄具有更高的聚类系数、更高的模块性、以及网络稳定性（图2）。
通过分析温室与自然田间番茄的微生物组成差异，研究人员共发现151个细菌taxa和133个真菌taxa显著在自然田间番茄富集。这些自然田间番茄植株显著富集的微生物中，包括芽孢杆菌属（Bacillus）,枝孢菌属（Cladosporium），木霉菌属（Trichoderma），假单胞菌属（Pseudomonas）,青霉菌属（Penicillium），固氮菌属（Rhizobium），链霉菌属（Streptomyces）等具有潜在抑制病原菌FOL功能的微生物，进一步通过随机森林机器学习找到了33个细菌属和20个真菌属是自然田间番茄中重要的指示类群（图2）。
图2 基于共现性分析、NetShift和随机森林分析的SynComs细菌和真菌类群选择
a, b细菌网络。GH (a)和NF (b)网络显示。
c, d真菌网络。GH (c)和NF (d)网络显示。
e, f基于NF和GH植物微生物群落中的细菌共生网络确定的潜在NF关键类群。
g利用番茄根际相对丰度的随机森林分类鉴定了16个生物标志物细菌属。
h通过番茄根际相对丰度的随机森林分类，确定了18个生物标志物真菌属。
利用10倍交叉验证误差和细菌生物标记物(i)和真菌生物标记物(j)的识别数量来区分大田番茄组和温室番茄组。
微生物分离培养是将微生物组学关联性数据提升至因果关系解析与功能机制验证的重要桥梁。研究人员运用培养组学技术，采用9种不同碳/氮源组合的细菌和真菌培养基对根际微生物进行分离培养，共获得细菌4992株和真菌1011株。
对比高通量测序结果，在属级分类水平上，有53.7%和56.3%的高丰度（> 0.1%）细菌和真菌（> 0.05%）分别被分离所获得；在科级分类水平上，有72.9%和60%的高丰度细菌和真菌分别被分离培养所获得，达到了同类研究中很高的分离覆盖度水平。此后团队通过平板对峙法筛选获得FOL拮抗细菌53株以及真菌47株（图3）。
图3 番茄根相关的细菌和真菌培养集合，涵盖了通过培养独立测序检测到的大多数物种
a, b显示根部相关细菌(a)和真菌(b)多样性的系统发育树在NF番茄中经常检测到的zOTUs(相对丰度超过0.1%)。中间的环(热图)表示在四个不同的采样位置上出现的每个节点zOTUs的相对丰度。外圈(粉红色椭圆点)表示从NF番茄植株中分离和培养的细菌和真菌菌株中鉴定出的细菌zOTU。
c拮抗试验中强烈抑制FOL的细菌种类的代表性图像。d拮抗试验中强烈抑制FOL的真菌种类的代表图像。
研究人员基于自然田间番茄根际的网络基石物种、特异富集物种、及拮抗功能物种，选择了205株（100株真菌，105株细菌）不同菌株构建人工合成菌群以供功能验证。通过构建番茄无菌幼苗及不同组合的人工合成菌群组合探究合成菌群抑制番茄枯萎病的作用效果及机制。
研究共设置8个分组，包括：真菌组（Fun SynComs）、细菌组（Bac SynComs）、跨界菌群组（CrossK SynComs）、空白对照组（CK）、真菌+FOL组（FunFOL SynComs）、细菌+FOL组（BacFOL SynComs）、跨界菌群+FOL组（CrossKFOL SynComs）和病原菌FOL组（CK+FOL）。研究结果表明：人工合成菌群前期（接种后21天）群落的不相似度显著高于后期（接种后22至42天），并且Bac SynComs随时间的差异波动高于Fun SynComs。相较于CK，Bac SynComs和Fun SynComs都能有效抑制番茄枯萎病，并且CrossK SynComs具有最好的抑制枯萎病效果（图4）。
图4 在无菌生长室中接种无菌番茄幼苗42 d后不同SynComs成分的相对丰度动态及不同处理下的FWD指数
a-d通过Pearson相关系数反映的细菌或真菌群落在不同时间点的CrossKCK和CrossKFOL SynComs之间的成对相关性。
e-h在无菌生长室中，比较CKFOL、BacFOL SynComs、FunFOL SynComs和CrossKFOL SynComs分别接种番茄1 d、FOL联合细菌SynComs(f)、FOL联合真菌SynComs(g)和FOL联合跨界(细菌和真菌)SynComs(h)的番茄生长42d时的FOL病害指标。
i比较CKFOL、BacFOL SynComs、FunFOL SynComs和CrossKFOL SynComs接种番茄在无菌生长室中生长42 d时的FOL病害指标(P < 0.05, Kruskal-Wallis试验和Dunn 's post hoc试验，n = 24株生物独立植株)。每个时间点代表平均FWD指数±s.e.m. (n = 24株生物独立植物)。
j比较CKFOL、BacFOL SynComs、FunFOL SynComs和CrossKFOL SynComs中的FOL水平。
K,L:不同SynComs类群中优势细菌(k)和真菌类群(l)在科水平上的相对丰度。
图5 接种不同SynComs后番茄幼苗细菌和真菌群落的纵向动态
a CrossKCK、CrossKFOL、backk和BacFOL 的细菌α多样性动态。
b CrossKCK、CrossKFOL、FunCK和FunFOL 真菌α多样性的动态变化。
BacFOL (c)和CrossKFOL (d) SynComs的细菌丰度在属水平上，在不同生长时间点的相对丰度变化。
FunFOL (e)和CrossKFOL (f) SynComs中真菌丰度在属水平上的变化，在不同的生长时间点可以追踪相对丰度的变化。
研究人员发现CrossK SynComs能显著激活寄主抗逆/病相关的代谢途径，例如ABA刺激反应、水解酶活性的调控、植物超敏反应、丝氨酸/苏氨酸磷酸酶活性的调控、刺激反应、氮/磷代谢相关途径等。Bac SynComs和Fun SynComs在激活番茄免疫及代谢等相关信号通路显著不同，例如，Bac SynComs在茉莉酸信号通路，盐胁迫信号通路，热刺激信号通路，渗透胁迫信号通路、过氧化氢信号通路以及温度刺激信号通路等方面发挥了显著作用，而Fun SynComs在激活碳水化合物途径、磷代谢途径、蛋白质磷酸化途径和有机酸分解代谢途径等方面发挥显著作用（图6）。
图6 不同人工合成菌群处理后番茄植株的水杨酸和茉莉酸途径相对表达含量；GO代谢通路富集；细菌菌群、真菌菌群及跨界菌群接种后的番茄显著差异表达基因韦恩图以及抗性基因差异组成
该研究揭示了根际微生物组多样性与枯萎病发病率的显著相关性；通过开展大规模分离培养获得高覆盖度的根际微生物组资源库；并依据健康微生物组网络中的关键物种、特异富集物种、及拮抗功能物种选择菌株建立了高多样性的跨界人工合成菌群；运用无菌番茄幼苗实验体系验证了合成菌群功能，揭示了合成菌群在原位条件下抑制番茄尖孢镰刀枯萎病的功能和作用机制。
来源：作图帮