植物提供了多種微生物棲息和繁殖的生境。定居于植物上的微生物，統(tǒng)稱為“植物微生物組（Plant microbiome）”。新興概念“植物全生態(tài)系統(tǒng) (plant holobiont)”將宿主植物和相關(guān)微生物視為一個(gè)功能單元，微生物被認(rèn)為是擴(kuò)展植物功能的輔助基因組。微生物對(duì)植物的生長(zhǎng)和健康至關(guān)重要，了解植物微生物組裝的機(jī)制對(duì)于生態(tài)學(xué)研究和農(nóng)業(yè)應(yīng)用具有重要意義。中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所環(huán)境地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室郝立凱研究員帶領(lǐng)的地球微生物課題組，與中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所、中國(guó)科學(xué)院微生物研究所和揚(yáng)州大學(xué)等合作者密切合作，選擇貴州喀斯特地區(qū)的重要經(jīng)濟(jì)作物煙草，系統(tǒng)地研究了煙草微生物組及其相關(guān)的環(huán)境微生物組功能與特征。

圖 1 (a) PCoA 圖表明煙草微生物組主要受隔室生態(tài)位的影響。（b）每個(gè)隔室中煙草微生物組的α多樣性以不同不同q順序的希爾數(shù)表示。 (c) 計(jì)算根和葉區(qū)室中煙草微生物組的修正標(biāo)準(zhǔn)化隨機(jī)率。（d）使用內(nèi)聚指數(shù)評(píng)估微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。 (e) 呈現(xiàn)了每個(gè)隔室內(nèi)構(gòu)建的微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可視化。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)三種具有親緣關(guān)系的煙草根部和葉部的內(nèi)生和外生區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)增子和宏基因組深度測(cè)序，全面系統(tǒng)的揭示了植物外部和內(nèi)部微生物群落之間的分類和功能差異，為植物微生物的生態(tài)組裝規(guī)律提供了線索。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從植物表面到植物內(nèi)部，細(xì)菌的多樣性和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度都在降低，確定性過(guò)程在內(nèi)生菌群的組裝中發(fā)揮著主導(dǎo)作用，體現(xiàn)了植物宿主強(qiáng)烈的選擇性壓力。值得注意的是，放線菌和alpha變形菌在根內(nèi)環(huán)境中得到了富集，分析還發(fā)現(xiàn)了了富集的功能KEGG通路包括抗生素合成、植物細(xì)胞壁降解酶、鐵代謝和尼古丁降解等。對(duì)分箱獲得的基因組bin進(jìn)行生物合成基因簇的預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)放線菌和alpha變形菌擁有更多樣化的次生代謝產(chǎn)物。相關(guān)成果以為Taxonomic and Functional Assembly Cues Enriching Endophytic Tobacco Microbiota across Epiphytic Compartments題，發(fā)表在近期mSphere上（詳細(xì)情況請(qǐng)參加附錄）。

圖2 對(duì)具有對(duì)比抗病水平的兩個(gè)品種之間的煙草微生物組進(jìn)行比較研究。

綠色代表抗病品種GZ36，紅色代表感病品種HD。 與抗病品種 GZ36 和易感品種 HD 相關(guān)的根和葉微生物組的 (A) α 多樣性和 (B) β 多樣性。 (A) 中的星號(hào)表示統(tǒng)計(jì)顯著性。  (B) 中的不同符號(hào)代表植物隔室。

由于植物疾病每年都會(huì)造成巨大損失，是農(nóng)業(yè)的重大威脅。煙草的主要病害包括由羅爾斯通氏菌屬（Ralstonia solanacearum）引起的細(xì)菌性枯萎病和由疫霉屬（Phytophthora nicotianae）引起的黑脛病。課題選擇了貴州常見(jiàn)的對(duì)這兩種病害易感和具有高度抗性的煙草品種，進(jìn)行了微生物組全面的比較研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)高抗品種GZ36和易感品種HD組裝了不同的細(xì)菌微生物群落?？剐云贩N表現(xiàn)出更高的微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性，以及更高的多樣性。在抗病煙草品種中富集了益生菌Pseudomonas，Ensifer和Sphingopyxis，而易感的煙草品種富集了更多的和青枯病致病菌同屬的Ralstonia。在抗性品種的根際微生物群落中富集了更多編碼生物防控功能的基因。此外，在抗病品種中富集的假單胞菌屬（Pseudomonas）基因組中發(fā)現(xiàn)了編碼次生代謝產(chǎn)物非核糖體肽合成酶的基因簇，該基因簇可以產(chǎn)生抗微生物活性的Brabantamide A。這種富集的假單胞菌屬可能對(duì)宿主植物的疾病抗性做出了貢獻(xiàn)。相關(guān)成果以Distinct microbiota assembly and functional patterns in disease-resistant and susceptible varieties of tobacco為題，發(fā)表在近期Frontiers in Microbiology上（詳細(xì)情況請(qǐng)參加附錄）。 

上述工作由中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所與中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所、中國(guó)科學(xué)院微生物研究所和揚(yáng)州大學(xué)等單位密切合作完成。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院?jiǎn)?dòng)經(jīng)費(fèi)和戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、貴州省科學(xué)技術(shù)廳等的資助支持。

論文信息1：Luhua Yang, Yuan Guo, Hui Yang, Shun Li, Yunzeng Zhang, Likai Hao* (2024). Taxonomic and Functional Assembly Cues Enriching Endophytic Tobacco Microbiota across Epiphytic Compartments. mSphere 9 (1), e00607-00623. https://doi.org/10.1128/msphere.00607-23

論文信息2：Luhua Yang, Yuan Guo, Hui Yang, Shun Li, Yunzeng Zhang, Cheng Gao, Likai Hao* (2024). Distinct Microbiota Assembly and Functional Patterns in Disease-resistant and Susceptible Varieties of Tobacco. Frontiers in Microbiology. Volume 15, 1361883. https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1361883

(郝立凱課題組/供稿)

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