ISME|沈其荣院士团队最新研究表明土壤细菌挥发性有机物可减弱青枯菌致病能力

期刊：The ISME Journal 

影响因子：11.217

客户单位：南京农业大学

一、整体概述

本研究作者针对植物致病菌青枯雷尔氏菌（Ralstonia solanacearum）开展了相关实验，研究了其是如何适应生物防治解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）T-5细菌产生的VOC混合物，并进一步探究了这些适应是如何影响其毒性的。研究结果揭示了微生物VOCs是细菌进化的重要驱动因素，可能被用于生物防治，通过进化权衡来选择毒性较低的病原体。

二、实验设计

图 实验设计示意图

三、主要内容

1、VOC的暴露降低了青枯雷尔氏菌的种群密度，并选择增加对VOC的耐受性

研究结果表明VOC暴露明显降低了茄属植物的种群密度，浓度越高，影响越严重（图2）。进一步比较植物病原体青枯雷尔氏菌在没有VOC混合物时以及存在三种不同浓度的VOC混合物时的种群密度动态，结果表明进化的H-VOC无性系相对于祖先无性系和无VOC无性系表现出更高的VOC耐受性，当VOC浓度较高时，这种差异更大（图3）。

图2 植物病原体青枯雷尔氏菌在没有VOC混合物时以及存在三种不同浓度的VOC混合物时的种群密度动态

图3 对照（No-VOC）和H-VOC处理后的青枯菌与原始菌对VOCs混合物和五种纯VOC（苯并噻唑、壬酮、十一醛、十七烷和油酸）以三种抗生素（硫酸多粘菌素B、红霉素和利福霉素）的耐受性

2、对VOC的耐受性导致了需要在青枯菌的生长和毒力之间权衡利弊

与原始无性系相比，H-VOC无性系和No-VOC无性系的最大生物量和生长曲线下面积均有所增加，生长迟滞期缩短（图4a）。然而，与无VOC无性系相比，进化出的H-VOC无性系表现出较低的生长速率和较长的滞后期，这表明生长成本与VOC耐受性有关。此外，除生长速率和滞后时间外，所有毒力性状之间均呈正相关，而与大多数生长性状呈负相关，表明生长与毒力之间存在平衡关系（图5）。

图4 VOC耐受性的演变导致与青枯雷尔氏菌毒性的权衡

图5 VOC耐受性的演变导致与青枯雷尔氏菌毒力的权衡

3、VOC耐受性和毒性降低的遗传基础

对No-VOC和H-VOC处理的所有表型克隆进行测序，测序结果只获得了少量的突变（图6a）。在遗传水平上，这些表型的变化与编码脂多糖O-抗原（wecA）和4型菌毛生物合成（pilM）的基因的平行突变有关，这两个基因都与外膜对抗生素的渗透性和植物病原体的毒力有关。

图6 对VOC的耐受性与脂多糖和四型菌毛编码基因的平行突变有关

4、经过基因工程改造的pilM和wecA突变体对VOC和抗生素的耐受性增加，但毒性降低

反向遗传工程显示，这两个突变都很重要，其中pilM对毒力的负面影响相对较大，而wecA对增加抗生素耐受性的影响相对较大（图7）。在VOC选择下平行进化的pilM和wecA突变都对提高抗菌耐受性和降低毒力有影响，可能与H-VOC无性系具有协同、互作效应。

图7 进化的单克隆以及ΔpilMiG和ΔwecAiC突变体对VOC和抗生素的耐受性比较

图8 进化的单克隆和ΔpilMiG和ΔwecAiC突变体在体外和体内的毒力特征比较

四、研究结论

综上，本研究结果表明VOC胁迫使青枯菌对VOC的耐受性明显增强，同时对几种常见土壤细菌产生的抗生素的耐受性也显著增强。VOC耐受性的提高使青枯菌重新权衡生存与致病，导致青枯菌的毒性特征减弱、致病能力降低。在遗传水平上，这些表型变化与编码脂多糖O-抗原（wecA）和IV型菌毛生物合成（pilM）基因的突变有关。 

参考文献

Bacterial volatile organic compounds attenuate pathogen virulence via evolutionary trade-offs. The ISME Journal, 2023.

DOI: 10.1038/s41396-023-01356-6