土壤非靶標代謝組學在抑病土壤中高豐度有益微生物來源探究中的應用

​今天小編要和大家分享的是BIOTREE協助客戶發(fā)表在Microbiome上的關于土壤抗性遺傳的一篇文章。
 

發(fā)表期刊：《Microbiome》
影響因子：9.133
合作單位：南京農業(yè)大學
據百趣代謝組學小趣了解，植物方面的高分文章并不好發(fā)，那這篇文章到底做了啥？竟能發(fā)到影響因子為9.133的期刊！快來看看原因吧!

1 百趣代謝組學文獻分享-研究背景
自然界中，植物會不斷地受到各種微生物病原體的攻擊和侵染，但我們都知道世間萬物，相生相克，總是一物降一物，所以即使在病原體存在和有利于疾病發(fā)展的氣候條件下，一些土壤也具有抑制植物病害的能力。

據報道，這種天然抑病土壤可用于各種農作物的疾病預防，例如小麥立枯病、馬鈴薯瘡痂病和香草枯萎病等。有人認為這種土壤的抑病作用與土壤中特定微生物的豐度有關，即高豐度有益微生物可以通過產生抗菌化合物直接抑制病原體，也可通過刺激植物的免疫系統間接抑制病原體，這種現象稱為誘導系統抗性（ISR）。

土壤非靶代謝組學，那抑病土壤中的高豐度有益微生物是怎么來的呢？前人提出了“求救”假設，即植物在受到攻擊和侵染時，會富集和維持特定的有益微生物，從而使得土壤中這種抑病的“特異功能”得以傳承。

不過也有人認為植物根系分泌物和其他根源分子在其中起到了作用，那到底是什么在其中發(fā)揮了作用？還是都有參與呢？大家在里面又都扮演著什么樣的角色呢？下面百趣代謝組學小趣為大家解開謎底！

2 研究方法
這篇文章通過在同一土壤中連續(xù)種植五代擬南芥來調節(jié)土壤。土壤非靶代謝組學，在每一代中，用丁香假單胞番茄致病變種DC3000（簡稱Pst）侵染擬南芥葉片作為病原條件組，無菌水接種的作為對照組，通過這種方式構建病原體條件土壤和對照條件土壤，整個實驗設計可見圖1。
 

圖1 實驗設計示意圖

1.實驗分組
按土壤條件分：病原條件土壤組與對照條件土壤組
按土壤位置分：根際土壤組與非根際土壤組

2.百趣代謝組學文獻分享-檢測平臺
代謝組學：GC-TOF/MS（根系分泌物） LC-QQQ/MS（莖組織）
16S rRNA測序：Illumina MiSeq（土壤）
常規(guī)PCR、化學成分分析、生化試驗等

3 百趣代謝組學分享-研究結果
（1）病原條件土壤可提高下一代植物抗病性
對生長在兩種條件土壤中的7日齡擬南芥幼苗葉片接種Pst，侵染 7d后，結果發(fā)現生長在病原條件土壤中的擬南芥發(fā)病率顯著低于對照組（圖2A），表明連續(xù)種植五代受侵染植株傳承下來的土壤可提高第六代植株的抗病性。

（2）病原條件土壤可通過誘導植物體內茉莉酸（JA）水平上升來提高抗病性
分別用這兩種條件土壤種植7日齡擬南芥幼苗（未接種的健康植株）28d，稱量地上植株鮮重，結果顯示種植在病原條件土壤中的植株鮮重顯著低于對照組（圖2B），眾所周知，在沒有病原體的情況下，防御的激活是以植物性能為代價的。因此，在病原體條件土壤上觀察到的生長抑制可能是植物代謝向生長方向轉變的結果。

同時采集植株莖組織部分進行激素含量檢測，研究發(fā)現病原條件處理組茉莉酸（JA）含量顯著升高，水楊酸（SA）含量顯著降低（圖2C），說明前幾代地上病原侵染的植株帶來的土壤傳承是通過誘導第六代植株茉莉酸（JA）水平上升來增強植株抗性。而我們也知道SA和JA信號通路相互拮抗，所以JA的水平上升導致SA水平的下降也是可以理解的啦。

那小編就想了，這會不會跟這兩種條件土壤中營養(yǎng)成分不同有關？土壤中是不是也存在病原菌Pst，要是存在，怎么判斷是土壤傳承的作用還是土中病原菌誘導的結果呢？

為了解除我們的疑惑，文中也做了相應的工作，研究發(fā)現兩種條件的土壤之間pH和營養(yǎng)素含量（NH4+，NO3-，AP和AK）并不存在顯著差異（表1）。PCR也未檢測到土壤中的病原菌（圖3），其在土壤中的含量低于檢測限，表明植物抗性增強很可能不是土壤中病原菌存在的結果。
 

圖2 不同條件土壤對植物抗病性、生長和激素方面的影響

表1 兩種條件土壤PH值和營養(yǎng)成分含量檢測結果

圖3 Pst PCR檢測結果

（3）地上病原菌侵染對土壤微生物群落影響顯著
分別用這兩種條件土壤種植7日齡擬南芥幼苗（未接種的健康植株）28d，采集根際土壤和非根際土壤進行16s rRNA檢測。分析發(fā)現非根際土壤與根際土壤間微生物群落存在顯著差異（PERMANOVA，P<0.001），證明植物是具有根際效應的。病原條件組與對照組均存在顯著的差異，但奇怪的是，還發(fā)現非根際土壤間的差異（PERMANOVA ，P<0.001）比根際土壤間（PERMANOVA ，P<0.031）的更為顯著，這個與常規(guī)邏輯不符，文中猜測可能是由于實驗中只分析了未接種植株條件下的土壤微生物群落情況，未接種植株的根際效應可能干擾了我們觀察地上病原體侵染對根際土壤微生物調節(jié)作用的能力。

文中通過Bray-Curtis 距離分析發(fā)現，非根際土壤處理間有3個ASV存在顯著差異，根際土壤處理間有5個ASV存在顯著差異（圖4），但目前結果只能得到總體的差異，還不能確認特定微生物或組合對植物抗性的影響程度。不過總體上，我們是知道了受侵染植物對土壤微生物群落結構有顯著影響，那這種影響是通過什么來實現的呢？我們再往下看。
 

圖4土壤微生物群落組成變化

（4）根系分泌物中氨基酸和長鏈有機酸（LCOAs）誘導增強植株抗性
文中用水瓊脂液體培養(yǎng)基收集根系分泌物，并通過氣相色譜-質譜聯用（GC-MS）進行檢測分析。結果顯示病原侵染組與對照組間代謝物存在顯著差異，其中醇、短鏈有機酸（SCOA）和糖在病原處理組中的含量顯著降低，而氨基酸和長鏈有機酸（LCOAs）的含量則顯著增加（圖5）。

為了更好地理解差異釋放的化合物對土壤微生物的影響，文中通過重復添加病原侵染組根系分泌物中過量和不足的化合物的混合物來調節(jié)土壤。根據化合物豐度選取代表性的氨基酸和長鏈有機酸、短鏈有機酸和糖類化合物配成一定濃度的混合溶液（圖5 ）處理土壤，制備土壤漿液和無菌土壤漿液（濾膜處理）混于高壓滅菌混合物（蛭石和沙子1:1）中，用制備好的“土壤”種植7日齡擬南芥幼苗，兩周后接種Pst進行抗病性評估。實驗表明，LCOAs和AAs（L + A）混合物處理組植株抗性顯著高于其他處理組（圖6A），無菌條件下各處理組均不能顯著增強植株抗性（圖6B）。

此外文章中還做了（L + A）土壤漿液與（S+S）土壤漿液不同配比組合實驗來評估賦予抗性所需的微生物量。分析發(fā)現微生物量越多，植物抗性越強，而無菌土壤漿液都不能賦予這種抑病作用。以上結果都表明，將LCOA和AAs的混合物施用于土壤中可誘導植物抗性，但這個過程微生物群落介導作用必不可少。
 

圖5植物根系分泌物代謝變化
 

圖6 不同滲出化合物組合處理的抗性評估

4 百趣代謝組學分享-小結

（1）葉片病原體Pst的侵染引發(fā)了土壤抗性的遺傳，誘導了下一代植物的抗性；

（2）前幾代受侵染植物帶來的土壤可通過誘導植物體內茉莉酸（JA）水平上升來提高抗病性；

（3）植物受病原侵染會引起土壤微生物群落結構發(fā)生顯著變化，證實了“求救”假說；

（4）將LCOA和AAs的混合物施用于土壤中可誘導植物抗性增強，但這個過程微生物群落介導作用必不可少。
 

圖7 葉片病原菌誘發(fā)土壤抗性遺傳的機理模型
 

好了，整篇文章內容我們大致有了了解，大家知道為啥這篇文章能發(fā)高分了嗎？百趣代謝組學小趣認為整篇文章思路非常清晰，首先是有了明確的功能（土壤抗病），提出了造成這個功能的可能原因（病原、土壤微生物和根系分泌物），后續(xù)通過一層層實驗探索，最終完整地構建出一個比較清晰的葉片病原菌誘發(fā)土壤抗性遺傳的機理模型（圖7），即病原菌侵染植物葉片，誘導植物根系分泌物組成變化，從而富集有益微生物群落，有益微生物群落又可以反過來誘導植物表型發(fā)生變化（如植物激素水平）來應對病原菌的侵染。

這篇文章的研究思路還是很值得借鑒的，希望給大家一點啟發(fā)。