合作文章COOPERATION ARTICLE

ISME: 捕食性原生生物和病原体抑制菌间关系对植物健康的影响

来源:admin    发布时间:2022-07-21   阅读数:484

本研究通过比较传统与有机农作两种施肥条件下,探究香蕉枯萎病不同发病率对土壤和根系相关微生物群组的影响,旨在破译捕食性原生生物与土壤微生物间的相互作用对植物健康的影响。关注“美格科服”微信公众号,后台回复220720,即可下载本文原文~


捕食性原生生物和病原体抑制菌间的营养互作关系对植物健康的影响

Trophic interactions between predatory protists and pathogen-suppressive bacteria impact plant health

ISME: 捕食性原生生物和病原体抑制菌间关系对植物健康的影响

作者:Sai Guo, Chengyuan Tao等

期刊:The ISME Journal

时间:2022.04.23

影响因子:11.217

DOI:10.1038/s41396-022-01244-5


文章摘要:作为人类日常生活所需的粮食和纤维等农作产品的重要基础,健康的土壤在对粮食生产当中起到了关键性作用。为了满足快速增长的人口对粮食的需求,传统农业对合成肥料,除草剂和杀虫剂的大量依赖导致严重的生态环境污染,也降低了生态系统的功能。相比较于传统农业(化肥),有机农业(有机肥)通过提高土壤生态的多样性和促进有益的生态互作,提供了一种更具有可持续性的农作方式来减少对环境的负面影响。

土壤中有益和致病微生物对农作植物的生长具有一定影响,而有机农作的方式则提供了一种控制土壤微生物的手段,从而影响作物的健康。然而目前,微生物群落捕食者对与植物健康有关的微生物的影响及其对植物健康的互作关联的了解甚少。通过传统与有机农作两种施肥条件,对九年种植过程中香蕉枯萎病不同发病率下的土壤和根系相关微生物群组的研究,本文旨在破译捕食性原生生物与土壤微生物间的相互作用对植物健康的影响。


主要实验流程及目的

1. 运用Illumina扩增子测序和qPCR。研究在不同种植方式及样品取样点当中,细菌、真菌和原生生物的多样性和群落组成,以及主要作物病原菌尖孢镰刀菌的丰度。

2. 运用Illumina宏基因组测序。探究微生物群落的功能潜力和不同处理的根际样品之间的差异。

3. 温室实验。验证从上述实验结果观察中,原生生物与其微生物猎物之间潜在的植物健康影响相互作用的重要性,以及与病原体抑制相关的微生物功能


主要结果

1.不同农作方式下农作物的生长生产质量对比研究

根据判断维管组织变色、假茎分裂、叶片变黄及植株死亡等症状来判定香蕉枯萎病。枯萎病发病率以受感染植株百分比计算,并以最终稳定发病率为准。而产量值则通过称重来进行测量。在与传统化肥农作条件对比下,通过有机农业方式种植的玉米具有更低的枯萎病发病率以及更优的产量(图1A,B)。而在对不同部分样品分析中得出,玉米根际范围更高丰度的原生生物和病原体抑制细菌,能更好的解析有机化肥分组更优质的表现(图1C,D,E)。


有机肥和化肥处理对香蕉枯萎病发病率和产量的影响及其驱动因素
图1. 有机肥和化肥处理对香蕉枯萎病发病率和产量的影响及其驱动因素


2. 各类影响农作质量因子及其相关性研究

鉴于在上述分析中,玉米根际土壤样品能更好解析有机化肥组的表现结果。作者进一步通过线性辨别分析(LEfSe)来反馈在根际土壤中各类原生生物及细菌OTU的相对增长量。结果得出,在有机化肥下,捕食性原生生物(Cercomonas)及芽孢杆菌(Bacillus)丰度增比最为显著(图2A)。而为了探究上述高丰度原生生物和细菌对病原体的功能变化影响,研究团队紧接着使用了斯皮尔曼相关性分析,发现捕食性原生生物与芽孢杆菌展现出其正相关的关系,以及其对病原体(F.oxysporum)呈反比例关系(图2B,C,D)。可从中得出捕食性原生物在与芽孢杆菌在具有营养互作关系的同时,两者也对病原体具有抑制性作用。


分组中原生生物和细菌OTU丰度变化;显著变化原生生物、细菌与病原体间相关性分析
图2. 分组中原生生物和细菌OTU丰度变化;显著变化原生生物、细菌与病原体间相关性分析


3. 微生物功能基因鉴定及其作用

为进一步探究土壤当中微生物对病原体抑制作用的原理,作者对病原体抑制细菌的代谢基因进行了随机森林分析。结果发现,当中的次级代谢产物(G)基因对目标变量,病原菌尖孢镰刀菌丰度,具有最高的预测重要性(图3A)。且随之测量出芽孢杆菌为G基因的最大代谢来源(图3C)。此分析结果也与之前实验分析所得出的,芽孢杆菌在有机耕作下具有最显著地增长比例的结果相呼应。这也进一步说明在病原体抑制菌发挥作用时,通过代谢G基因从而达到抑制病原体生存的效果。


微生物功能基因及其与病原体密度的潜在相互作用
图3. 微生物功能基因及其与病原体密度的潜在相互作用



4. 捕食性原生生物与其猎物间相互的作用以及对植物健康的影响

从上述实验可见捕食性原生生物与其猎物(芽孢杆菌)都与病原体被抑制有关,但两者间的相互作用仍需进一步探究了解。研究团队也为此设计的了一系列的温室实验。芽孢杆菌分离株(B35)有着与芽孢杆菌OTU532完全相同的序列,并得出其在所有分离株中对尖孢镰刀菌生长抑制能力最强(图4C)。在方差分析当中,捕食性原生生物对分离株B35的捕食强度也是最低(图4A)。结合以上所得结果,随机森林和线性回归分析也表明了芽孢杆菌对尖孢杆菌生长的抑制能力显著影响了原生生物对其的捕食强度(图4B,C)。


温室实验: 病原菌、分离菌和捕食者之间的相互作用
图4. 温室实验: 病原菌、分离菌和捕食者之间的相互作用


另一方面,病原体抑制菌自身的不同也会带来不一样的实验结果。捕食性原生生物对突变型芽孢杆菌更高的捕食强度,且突变型芽孢杆菌对病原体更弱的抑制能力(图4D,E),使其几乎丧失野生型芽孢杆菌在此生物机制中的作用功能。原生生物和病原体抑制细菌间的互利互作关系也因为突变的原因而大大减弱(图4F,G)。


总结:从科研概念模型图(图5)中可以了解到,有机耕作处理(organic soil management)正反馈于捕食性原生生物,随之其他细菌被捕食,但由于捕食性原生生物对病原体抑制菌捕食强度降低,所以抑制菌在土壤微生物群中相对丰度显著增高。而如文章上述所验证,作为芽孢杆菌代谢产物(Disease suppressive metabolites),其能发挥抑制病原体存活的作用,尤其在根际土壤范围减少病原体或降低其对植株健康的不良影响。


概念模型图
图5. 概念模型图


因此,从各类实验分析结果可证明,除了对环境更加的友好以外,有机化肥的使用也可刺激且催化捕食性原生生物和病原体抑制菌间的关键互利互作,使得植物和土壤中病原体丰度降低,从而提高植物的质量以及产量。







分享到: