2017-08-04
派森諾生物再次與上海交通大學合作，在《Scientific Reports》（影響因子4.259）上發表文章，揭示生物制劑Trichoderma harzianum對玉米的鐮刀菌素莖腐病的有效抑制作用。
研究背景
玉米作為我們人類食物中很重要的一種谷類作物，每年的產量都受鐮刀菌素莖腐病（Fusarium stalk rot，FSR）的影響而嚴重減產。為了解決這一問題，人們一般通過噴灑農藥的方式來進行莖腐病的防治，但是農藥同樣會對有益的微生物造成負面影響，并且農藥殘留會對生態環境及人類健康帶來不良后果。在后續的長期研究中人們發現，Trichoderma spp.生物制劑可以有效的抑制鐮刀菌素莖腐病的發病率，并不會對生態環境造成破壞。
研究目的
鐮刀菌素莖腐病是玉米作物高產的最大攔路虎，雖然通過對作物莊家噴灑農藥可以起到一定的防治作用，但是使用農藥而帶來的副作用卻對生態環境土壤及人類身體健康帶來嚴重的影響，為了從根源上解決作物的鐮刀菌素莖腐病，本研究在前人研究的基礎上，通過土壤、作物根理化性質分析、高通量測序、熒光鏡檢、分子對接等多種方法來探究生物制劑對鐮刀菌素莖腐病的抑制效果及抑制機理，為生物制劑Trichoderma spp.防治鐮刀菌素莖腐病提供有效科學依據。
研究方法
測序技術：454 GS-FLX高通量測序平臺
測序模式：真菌ITS1區和細菌16S rRNA V3V4區
實驗對象：玉米根際土壤及玉米根
實驗設計：共9個樣品，其中5份為土壤樣品：CK（未滅菌的天然耕作土壤）、T1S（未接種培育過微生物的土壤）、T2S（接種培育T. harzianum CCTCC-RW0024菌株的土壤）、T3S（接種培育致病菌FG的土壤）、T4S（同時接種培育T. harzianum CCTCC-RW0024菌株和致病菌FG的土壤）；4份根樣品：T1S~T4S土壤上分別種植的玉米根樣品，命名為T1R~T4R。
研究結果
對不同處理的玉米種植土壤進行理化性質測定和真菌、細菌的高通量測序，共獲得79812個細菌OTU和64304個真菌OTU。
對10株具有潛在抗鐮刀菌素莖腐病的Trichoderma屬和抗病相關基因表達情況進行分析，可知，nag1、Chit33、Thph1、Thph2、exg1、papA基因在不同菌株間的表達差異顯著，并且CCTCC-RW0024株的抗病相關基因mRNA表達量很高。
對不同處理組的土壤樣品進行理化性質分析、對四個處理的根部樣品中Trichoderma屬進行qPCR檢測、T. harzianum CCTCC-RW0024株進行熒光鏡檢，由結果可知T. harzianum CCTCC-RW0024株可顯著降低鐮刀菌素莖腐病的發病率，并促進玉米作物的生長。
分別對土壤和玉米根樣品進行高通量測序，由OTU統計圖和共有特有OTU的Venn圖可知，細菌和真菌的測序結果分別獲得79812個細菌OTU和64304個真菌OTU，并且CK、T1S、T2S、T3S、T4S組間有142個共有細菌OTU，40個共有真菌OTU；CK、T1R、T2R、T3R、T4R組間有104個共有細菌OTU，48個共有真菌OTU。
對細菌16S rRNA測序結果進行門水平組成分析，由柱狀圖可知，Acidobacteria和Actinobacteria為所有樣品中的優勢門，并且Acidobacteria門在T2S和T4S中的豐度高于T2R和T4R；對豐度前50的優勢屬進行熱圖聚類分析，T1R~T4R的根樣品和T1S~T4S的土壤樣品分別聚為大簇，說明土壤樣品和根樣品中的優勢屬豐度分布情況差別很大。
由真菌門水平組成分析柱狀圖可知，根際土壤樣品和根樣品中的菌群分布并無顯著差異，但Ascomycota門和Basidiomycota門在土壤樣品中的豐度更高，且Ascomycota門在T4S中豐度最高，在T4R中最低；同樣，豐度前50的優勢屬熱圖聚類分析可知，T1R~T4R的根樣品和T1S~T4S的土壤樣品分別聚為大簇，說明土壤樣品和根樣品中的真菌優勢屬豐度分布情況差別較大。
對具有生物活性的真菌二級代謝產物（BFE）進行提取，并對鐮刀菌素莖腐病的致病菌（FG）進行PDA平板培養，由平板培養結果及鐮刀菌素莖腐病的抑制率統計結果可知，隨著BFE濃度的增加，FG菌的生長抑制率顯著增。
分子對接分析結果顯示，致病菌FG的轉錄因子與T. harzianum CCTCC-RW0024菌株中幾種提取物都有相互作用，其中H-[1]Benzopyrano[3,4-b]pyridin-5-one、9-amino-1,2,3,4-tetrahydro具有最好的抑制作用。
總結
本研究通過對玉米種植土壤和玉米根進行理化性質分析、高通量測序以及次級代謝產物對FG致病菌的抑制作用研究，驗證了T. harzianum對玉米種植土壤中微生物多樣性組成譜的影響，及其對玉米鐮刀菌素莖腐病的生物防治作用，為鐮刀菌素莖腐病的生物防治方法的廣泛應用奠定了堅實的科學基礎。
本研究的測序和數據分析工作由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。
文章索引：
Saravanakumar K, Li Y, Yu C, Wang Q-q, Wang M, Sun J, Gao J-x & Chen J (2017) Effect of Trichoderma harzianum on maize rhizosphere microbiome and biocontrol of Fusarium Stalk rot. Scientific Reports 7: 1771. doi:10.1038/s41598-017-01680-w
點擊鏈接，閱讀原文：https://www.nature.com/articles/s41598-017-01680-w
