陆生植物间的相互作用可影响周围植物生长与健康，其中一种积极效应表现为物种改变环境以提升邻近物种适应性。农田中套种技术常能促进作物生长并抑制病害传播。本文通过番茄和洋葱的套种模型，深入研究了植物根系分泌物调节相邻植物根际保护性微生物群落招募的机制。

英文标题：Interspecific plant interaction via root exudates structures the disease suppressiveness of rhizosphere microbiomes

中文标题：通过种间植物根系分泌物的相互作用构建根际微生物群的疾病抑制能力

发表期刊：Molecular Plant

影响因子：27.5

发表时间：2023年03月

作者及单位：东北农业大学吴凤芝教授团队和南京农业大学韦中教授团队

1. 番茄根际微生物组组成、变化及对黄萎病的抑制作用

间作模式下，自然土壤中番茄枯萎病发病率显著降低约68.03%，干物质积累量明显增加（图1A）。将间作根际土壤接种到无菌土壤中，枯萎病发病及植物干生物量均得到改善（图1B）。单作与间作体系中番茄根际细菌群落结构尽管α多样性不变但差异显著（图1C）。对比显示，间作条件下41个细菌OTU增多，31个减少，其中芽孢杆菌属OTU889在间作根际显著富集（图1D），且整体芽孢杆菌相对丰度上升（图1E）。值得注意的是，施用杀菌剂的土壤未发现芽孢杆菌，暗示芽孢杆菌可能对抑制间作系统中的番茄枯萎病具有积极作用。

图1 根际微生物组在抑制黄萎病中的重要性

2. 洋葱根分泌物有助于抑制番茄疾病和芽孢杆菌定殖

为研究洋葱根分泌物是否能调节番茄根际菌群并抑制病原菌，进行了一项地下隔离实验（图2A），利用30µm尼龙网实现根分泌物交流但阻止物理接触，并与完全隔离的固体屏障组及无屏障对照组对比。结果显示，30µm尼龙网组和对照组枯萎病指数显著低于固体屏障组（图2B）。同时，根际细菌群落结构在物理或化学交互作用下发生显著变化（图2C），其中OTU889和芽孢杆菌属在尼龙网处理组中的丰度增加（图2D）。盆栽实验进一步验证了外加洋葱根分泌物对枯萎病的抑制效果（图2E），证实其能降低病情且刺激番茄根际总芽孢杆菌数量上升（图2E）。

图2 根系分泌物介导的植物种间相互作用

3. 验证芽孢杆菌在抑制黄萎病中的作用

为了验证芽孢杆菌对抗番茄枯萎病的作用，从根际筛选出207株细菌，其中19种不同的芽孢杆菌被分为3大类群。代表性菌株B56、B18和B76在体外对枯萎病的抑制率分别为95%、25%和8%（图3A），并将它们应用于天然土壤中，分别使番茄黄萎病指数下降42.73%、20.93%和16.86%（图3B、C）。接种这些菌株后，发现番茄根系防御相关基因显著上调表达（图3D）。鉴于其卓越的抑病效果及与OTU889序列的高度匹配性，最终选定B56作为后续实验的典型芽孢杆菌代表。

图3 芽孢杆菌在抑制黄萎病中的作用评价

4. 洋葱根际产生的Taxifolin调节芽孢杆菌B56在番茄根际的定殖

通过裂根实验发现洋葱及其分泌物能显著促进B56在番茄根系定殖（图4A）。其中黄酮类化合物taxifolin浓度较高且对B56丰度有显著提升作用，而其他黄酮无此效应（图B、C）。间作条件下，洋葱根际taxifolin浓度高于番茄根际（图4D），且单独栽培番茄根际未检测到taxifolin。盆栽试验表明，在天然土壤中添加适量taxifolin可降低番茄枯萎病指数，并增加芽孢杆菌丰度（图4E）；但当浓度达1.0μmol g-1时，其效果相反。体外和土壤环境实验证明，适量洋葱根分泌物和taxifolin不影响B56生长及枯萎病活性（图4F），但在1.0 mM体外条件下，taxifolin抑制枯萎病菌丝直径，而在1.0μmol g-1土壤处理下，导致土壤中枯萎病菌丰度下降。

图4 Taxifolin影响芽孢杆菌B56对番茄根系的定殖

5. 番茄根系分泌物的变化有助于增强芽孢杆菌B56的根系定殖作用

实验表明，在间作模式下，番茄根分泌物能提升无菌和自然土壤中B56菌群的丰度（图5A），并增强其趋化性和生物膜形成能力（图5B）。UPLC--MS及PLS-DA分析确认间作条件下根分泌物的化学成分变化显著（图5C），尤其是富含更高浓度的有机酸（如苹果酸、琥珀酸等）、特定氨基酸（精氨酸、色氨酸、亮氨酸）及糖类（果糖、葡萄糖）（图5D）。此外，taxifolin处理后不仅增强了这些化合物在根分泌物中的含量，而且5-40μM浓度范围内的苹果酸、富马酸、柠檬酸、精氨酸、色氨酸和果糖被证明能够促进B56的吸引及生物膜形成。

图5 番茄根系分泌物的变化及其对芽孢杆菌B56定殖的影响

参考文献：

Zhou XG, et al., Interspecific plant interaction via root exudates structures the disease suppressiveness of rhizosphere microbiomes. Molecular Plant. 2023.