New Phytologist [IF:8.512]
2019-12-04 Articles
doi:10.1111/nph.16385
翻译： 杨盛蝶
审核：文涛 袁军老师
土壤及其微生物组被视为植物健康的关键组成部分，有益土壤微生物在根际定殖可以减少地上食草动物对植物生长的负面影响。调控土壤微生物组的一种方法是应用植物-土壤反馈生态学概念。植物在根部分泌初级和次级代谢产物，这些代谢物以物种特异性的方式调控土壤和根际微生物组。当新植物在先前已经生长过另一植物的土壤中生长时，其生长可以根据第一植物触发的土壤变化而增强或降低。土壤接种主要是在恢复生态学的背景下进行的，当接种土壤微生物时，退化土壤以及其生态学功能会很快恢复。单个菌株在田间应用常常产生不一致的结果，所以接种复杂的土壤群落对于持续增强作物保护是必要的。
文章拟解决问题：不同的植物物种产生不同的土壤微生物，那么接种这些土壤到生长菊花的无菌土壤中，是否可以促进菊花生长以及对于昆虫的抗性，那么是何种微生物起主导作用的？八种草本和非草本植物已经被证明可以提高菊花的生长。在土壤种植8种植物，然后取样以及测定这些植物的土壤（inocula）,然后接种到无菌土壤中种植菊花，再测定菊花对于两种昆虫的抗性。为了确定植物化学机制,还测定了叶片中绿原酸的含量，当植物与有益微生物互作时，绿原酸的含量可能会增加。
细菌和真菌群落组成受其来自接种物还是菊花土壤影响，而且细菌的差异远大于真菌。
细菌OUT从接种物的5000减为菊花土壤的4200，真菌从220减到110。
对于细菌，接种物和菊花土有92%共享OUT，只有3%的OUT在出现在了接种物中没有在菊花土中。
对于真菌，只有58%是共享的，36%消失了（不存在于菊花土中）。
在生长菊花以后，5%的细菌OUT和8%的真菌OTU只存在于菊花土中。
对于细菌，接种物的OUT几乎没有是惟一的，但是对于真菌，每个接种物中平均8%的菌门是独一无二的。然而，接种物中真菌的独特性在菊花生长后丢失了。接种物和菊花土壤中没有很多共享的真菌菌门。所有功能植物接种的菊花土壤和与它们各自的接种物共享OTU，且RA和FO共享最多的OTU。
不同的植物对菊花的高度没有显著影响。土壤接种的菊花上的蓟马数量显著减少。蓟马在AP和RA植物调控土壤长出来的菊花上的数量比无菌土壤上的更少。被土壤接种物的功能类群植物没有影响菊花上的蓟马数量。
以草LP调节的土壤中生长的植株要比在100％无菌土壤中生长的植株小。
与在无菌土壤相比，由AP和RA调节的土壤中生长的菊花上的蓟马数量更少。
受HL和FO调节的土壤生长的菊上的到达蛹阶段的蓟马显著低于无菌土壤。
与蓟马相反，土壤接种以及特异土壤接种物以及功能类群没有影响红蜘蛛。
生长在受FO和AM土壤调节的植物绿原酸浓度比无菌土壤浓度高。
植株的高度与8个细菌门以及未分类的子囊菌门呈显著负相关。
仅存在一个真菌纲水平与株高正相关。
绿原酸与总酚酸含量有很强烈的相关性。
大多数细菌门（28个中的20个）与植物中的绿原酸呈正相关，只有3个细菌门是负相关。
三个真菌纲水平相对丰度与绿原酸浓度负相关，2个是正相关。
17种细菌门的相对丰度与蓟马的存活以及达到蛹阶段的数量成负相关，尽管两个细菌门水平与蓟马存活是正相关。5个真菌纲水平与蓟马的存活负相关，而4个是正相关。蓟马到达蛹阶段的数量与植物高度正相关与叶绿酸的以及酚酸的浓度负相关。蓟马数量与细菌丰富度呈负相关，在较小程度上与真菌丰富度负相关。绿原酸与细菌丰富度正相关，与真菌丰富度不相关。大多数细菌门（其中只有两个真菌门）与蓟马呈反比，与绿原酸的浓度正比。叶片上红蜘蛛的数量与17种细菌门和一个真菌纲的相对丰度显著相关，尽管3个细菌门以及4个真菌纲的相对丰度与与红蜘蛛卵数量是负相关。红蜘蛛的存活与6个细菌门正相关（与BRC1的相关性最强）与一个真菌纲负相关。
不同植物调控的土壤接种物会导致被接种的生长植物的土壤中微生物组非常不同，包括微生物组成以及某一微生物群的丰度。我们发现了原先长有草本和非草本植物的土壤能诱导地上部组织对蓟马的抗性，但是对于红蜘蛛没有。我们假设每一个植物物种可能会对土壤中的微生物组施加一个特定的影响，一个重要的问题是，当另一个植物生长之后，那么这些微生物组如何维持，因为第二种植物也会影响土壤微生物。作者发现了菊花对真菌施加一个负极的影响（特别是对于AM），只有58%的真菌同时存在于接种物和菊花土中。虽然不同接种物之间的细菌群落存在明显差异，接种物和菊花土中共享了大于90%的细菌OUT。最新的研究已经表明植物的基因能够决定根相关的微生物以及特定的植物土壤反馈对植物生长的影响是消极的还是中立的。这在植物育种中总是被忽视，作者发现了作物可能会抑制有益微生物，例如菌根。
草本植物和非草本植物形成了差异明显的细菌群体，在用这些微生物群接种土壤中生长菊花后，这些变化依然维持着。接种物和受草本调控的菊花土中的细菌丰富度有显著负相关。我们假设通过调控土壤中的细菌群落，草本植物可能会富集与草相关的微生物，同时就减少了与非草本植物相关的微生物丰富度。（可能通过竞争或者抗菌作用）。这就意味着当非草本植物生长在草本植物的土壤中时，接种物中与草本植物相关更高的微生物丰富度导致在非草本植物种植以后的土壤将会有更低的有与非草本植物相关的微生物丰富度。支持这个假设，菊花高度与菊花土壤中细菌多样性密切相关。然而，这仅仅是针对于非草本调控的接种物，而不是草本调控的接种物。在某些情况下，土壤微生物的多样性是植物生产力的主要驱动力，我们研究表明了这将依赖于原先种在土壤中的植物。
植物对昆虫的抗性也依赖于整个土壤微生物组，对土壤接种可以增强植物抗性。本文确定了11个细菌菌门（特别是硝化菌和扁平菌）和一个真菌纲是有益微生物的极佳候选者，它们的相对丰度与蓟马呈负相关与绿原酸呈正相关，不影响植物的生长。虽然这些结果相关性的，这个结果可以探索这些土壤微生物组中特定分类群的功能以及它们对植物防御的影响。这篇研究中接种过的土壤不能促进菊花生长的解释是共生体的建立需要植物付出代价，可能会阻碍植物的生长，将会对微生物产生积极、消极、中立的影响。在消极影响的范围，对于消极植物土壤反馈(PSFs)来说，病原菌积累是常见机制。生长在FO土壤接种的菊花生长受阻和叶片中绿原酸浓度增加。另外，我们发现微生物群，特别是FCPU426,以及未分类子囊菌门除了与蓟马负相关，与绿原酸正相关，而且与植物生长负相关。
总的来说，我们研究表明了土壤接种物和植物土壤反馈的应用能够诱导不同的土壤微生物组从而减少地上部组织昆虫发病率。然植物土壤反馈的应用通过影响土壤微生物组从而控制昆虫。一个巨大的挑战就是在高多样性和多变量的土壤微生物组背景下，怎么选择产生有益土壤微生物组调控植物，能够持续减少昆虫和促进植物生长。因此，微生物组诱导植物抗性的研究是以一种可预测的理想的方式寻找到植物物种能够改变土壤微生物组。跟随自上而下的方法，植物土壤反馈能够被用作发现诱导植物抗性的关键微生物类群来源。这个研究致力于改变农业实践范式，除了关注减少植物土壤反馈和病原菌的负面影响，更多应该关注利用PSF积极的一面以及有益微生物。
根际互作生物学研究室是沈其荣教授土壤微生物与有机肥团队下的一个关注于根际互作的研究小组。本小组由袁军副教授带领，主要关注：1.植物和微生物互作在抗病过程中的作用；2 环境微生物大数据整合研究；3 环境代谢组及其与微生物过程研究体系开发和应用。团队在过去三年中在 isme J， Microbiome， PCE，SBB，Horticulture Research等期刊上发表了多篇文章。欢迎关注 微生信生物 公众号对本研究小组进行了解。
团队成员邮箱 袁军：junyuan@njau.edu.cn；文涛：2018203048@njau.edu.cn
联系客服
