2021-09-18
近期，派森諾與南京農業大學合作在《npj Biofilms and Microbiomes》發表研究論文，以土壤菌群為實驗對象，研究了使用土壤熏蒸模擬干擾后施用生物有機和有機改良劑，并利用高通量測序技術，探究其如何通過重塑土壤微生物群落的組成和功能潛力，從而抑制番茄枯萎病。
研究背景
農業集約化生產會降低微生物群落多樣性、活性和對土傳病害的抑制性，可能導致土壤有害微生物的不平衡增殖。通過提高土壤抗性或抗病能力能確保較高的農業生產力，然而，將利于土傳病害發生的土壤轉化為抑制性土壤，需要繞過土壤微生物的自然抗性。
熏蒸是一種抑制土傳病害的方法，會對土壤微生物群落造成嚴重擾動。然而，病原菌有可能快速再侵染，因此熏蒸往往只有短暫的病害抑制作用。土壤有機改良劑是另一種廣泛接受的管理策略，有機改良劑與生物防治劑的進一步互補是抑制土傳病害的一種前景策略。但是，在高度侵染或多種病原菌侵染的土壤中，生物有機肥料抑制土傳病害的效率較低，并且自然環境中土傳病害相關的病原菌往往是多種同時出現，但大多數研究都集中在單一病原菌的探討，這使得從實驗條件到自然條件的轉化成功率受限。此外，細菌和真菌病原菌的共同侵染可以改變疾病的結果，并有利于病原菌的發展。因此在解決抑制土傳病害時，需要采取聯合策略。
研究方法
測序平臺：Illumina MiSeq PE250高通量測序
測序區域：微生物組細菌16S rRNA基因V4區；真菌內轉錄間隔區（ITS1）
試驗設計：未熏蒸土壤+有機肥（CKOF）、未熏蒸土壤+生物有機肥（CKBF）、熏蒸土壤+有機肥（FOF）、熏蒸土壤+生物有機肥（FBF）。
研究結果
每個處理組番茄枯萎病發病率如圖1所示，熏蒸處理FOF組與FBF組的番茄枯萎病發病率顯著低于未熏蒸處理的CKOF組和CKBF組（p?<?0.001）。
圖1. 不同處理組番茄枯萎病的發病結果
利用qPCR檢測土壤中青枯雷爾氏菌（Ralstonia solanacearum）和尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum）的豐度。如圖2所示，種植前青枯雷爾氏菌豐度在熏蒸處理和未熏蒸中沒有顯著差異，在收獲期非根際土和根際土中熏蒸處理比未熏蒸處理顯著降低。而尖孢鐮刀菌的豐度在種植前和收獲期的非根際土和根際土壤中熏蒸處理后均比未熏蒸處理顯著降低。此外，移栽前和收獲期間青枯雷爾氏菌豐度沒有顯著相關，而尖孢鐮刀菌具有顯著相關性。
圖2. a 青枯雷爾氏菌和尖孢鐮刀菌的豐度；b 兩種病原菌豐度的相關性
本研究還進一步探究了土壤微生物豐度、豐富度、多樣性以及發病率的關系。如圖3所示，種植前和收獲期間FOF組在非根際土壤中有更高的細菌豐富度和多樣性，FOF組和FBF組在非根際土壤中真菌的豐度、豐富度和多樣性均有減少，在根際土壤中，只有FBF組的真菌豐富度和多樣性顯著低于其他處理。相關性分析表明，番茄枯萎病發病率與根際真菌豐富度和多樣性呈正相關，與細菌豐度、豐富度、多樣性無顯著相關。
圖3. 土壤細菌和真菌在種植前和收獲期的豐度、豐富度和多樣性指數
另一方面，熏蒸和有機改良劑導致了微生物群落的變化。PCoA分析顯示（圖4a），非根際土與根際土在種植前和收獲期的細菌群落組成沿第一組分（PCoA1）明顯分離；而未熏蒸處理和熏蒸處理沿第二組分（PCoA2）明顯分離。4個處理的真菌群落組成沿第一組分（PCoA1）明顯分離；非根際土和根際土中沿第二組分（PCoA2）明顯分離。未熏蒸處理組的細菌群落結構相較于熏蒸處理更相似（圖4b）。熏蒸處理組中，細菌和真菌群落的更替較高，且與番茄枯萎病發病率顯著相關（圖4c）。
圖4. 不同處理組間細菌和真菌的群落組成
通過只選擇青枯雷爾氏菌或尖孢鐮刀菌的SEMs分析顯示（圖5a~b），青枯雷爾氏菌相比于尖孢鐮刀菌更容易直接產生病害，微生物細菌群落對兩種病原菌產生主要影響。基于兩種病原菌的SEMs分析顯示（圖5c），番茄枯萎病可能是由兩種病原菌共同誘導的，但根際青枯雷爾氏菌對枯萎病發病率具有直接影響；根際細菌群落可以直接抑制青枯雷爾氏菌降低發病率，非根際細菌群落還可以通過抑制尖孢鐮刀菌來間接抑制枯萎病的發病率，這表明可以通過聯合作用減少病原菌從而降低枯萎病的發病率。
圖5.枯萎病發病率的結構方程模型
根據上述結果，選擇根際土壤和非根際土壤細菌群落與兩種病原菌豐度進行相關性分析，結果如表1所示，3個非根際細菌與尖孢鐮刀菌豐度呈顯著負相關，6個根際細菌與青枯雷爾氏菌呈顯著負相關。
表1 細菌OTUs與病原菌的相關性分析
總結
本研究通過未熏蒸與熏蒸加有機改良劑的番茄栽培土壤為研究對象，結果表明，熏蒸加有機改良劑是一種防治多種病原菌引起的番茄枯萎病的有效策略，其主要通過熏蒸直接抑制真菌病原菌，并通過施入有機改良劑改變細菌群落從而間接抑制真菌和細菌病原菌。
