根系芽孢杆菌多样性对植物叶际病原菌防御的关键作用及机制研究

本研究针对植物微生物组如何抵御病原体入侵这一关键科学问题，通过构建包含150种细菌的合成群落（SynCom），采用"自上而下群落解构"（top-down community deconstruction）方法，发现芽孢杆菌属（Bacillus）在防御叶际病原菌Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000（Pto）中起核心作用。研究证实其保护机制不依赖植物免疫系统激活，且保护效果与菌株多样性显著相关，为开发生物防治新策略提供了重要理论依据。

　　

在自然界中，植物与微生物形成了复杂的共生关系，其中根系微生物组就像植物的"第二免疫系统"，默默守护着宿主的健康。然而，这个由数千种微生物组成的"保镖团队"中，究竟哪些成员真正承担着防御职责？它们又是如何协同作战的？这些问题一直是植物-微生物互作研究领域的核心谜题。更令人困惑的是，当叶片遭遇病原体攻击时，驻扎在根系的微生物如何能够"远程驰援"？这些问题的解答不仅具有重要理论价值，更能为开发新一代生物防治策略提供科学依据。

以色列耶路撒冷希伯来大学的研究团队在《The ISME Journal》发表的研究，通过创新的实验设计和系统分析，揭开了根系微生物组防御叶际病原体的神秘面纱。研究人员构建了包含150个菌株的合成微生物群落（Synthetic Community，SynCom），并开发了"自上而下群落解构"的研究策略，成功鉴定出芽孢杆菌属（Bacillus）在防御叶际病原菌Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000（Pto）中的核心作用。研究发现这种保护机制独立于植物免疫系统，且保护效果与菌株多样性密切相关，为理解微生物组功能提供了新视角，也为开发基于微生物多样性的生物防治方法指明了方向。

研究采用了多项关键技术：1）构建150株根系来源细菌的合成群落；2）开发"自上而下群落解构"筛选策略；3）利用lux标记的Pto定量病原菌定殖；4）体外共培养分析抑菌活性；5）植物转录组测序（RNA-seq）解析免疫响应；6）采用模式突变体bbc1验证保护机制独立性。实验系统包括封闭式无菌培养和开放式自然土壤体系，确保结果的可重复性和生态相关性。

1 Diverse rhizospheric Bacillus are required for protection against a leaf pathogen

研究首先建立了由γ射线灭菌椰糠和150株细菌组成的模型系统，通过比较完整SynCom与不同微生物组处理，发现仅当存在芽孢杆菌时，植物才能有效抵抗Pto侵染。在自然土壤实验中，接种22株芽孢杆菌的植株表现出显著增强的抗病性，病原菌载量降低超过100倍，证实了芽孢杆菌的保护作用具有生态相关性。

Bacillus protect plants from Pto on the background of a natural microbiota

通过体外共培养实验，所有22株芽孢杆菌均能抑制Pto生长，形成明显的抑菌圈。抑菌活性呈现菌株特异性，且与系统发育关系无直接关联。基因组分析发现芽孢杆菌含有多种抗菌基因簇（BGCs），但未发现所有菌株共有的保守基因簇，暗示保护机制可能具有多样性。

All Bacillus strains inhibit Pto in-vitro

研究创新性地发现，单个芽孢杆菌菌株的保护效果有限，而多菌株组合则能提供完全保护。通过筛选10个系统发育差异最大的菌株组成的简化群落，证实了多样性而非特定菌株是保护效果的关键决定因素。这一发现突破了传统单一菌剂研发思路，强调了微生物多样性在生物防治中的核心价值。

Bacillus strain diversity is essential for protection

转录组分析显示，接种完整SynCom的植株免疫相关基因表达水平低于芽孢杆菌缺失处理，表明保护机制可能不依赖植物免疫系统激活。在模式突变体bbc1（缺失主要模式识别受体）实验中，芽孢杆菌接种仍能提供完全保护，进一步证实了这种独立性。

Bacillus-provided plant protection is independent of plant immune system activation

这项研究通过创新的"自上而下群落解构"策略，系统解析了根系微生物组防御叶际病原体的机制框架。研究不仅鉴定出芽孢杆菌属的核心保护作用，更揭示了微生物多样性在生物防治中的关键价值。研究发现保护机制独立于植物免疫系统，暗示可能存在直接抑制病原体的新途径。这些发现为开发基于微生物组的农业应用提供了重要启示：1）应重视菌株组合而非单一菌剂的研发；2）根系接种可能同时影响地上部健康；3）微生物多样性是功能稳定性的保障。该研究建立的筛选策略和理论框架，为深入理解微生物组功能与植物健康的关系开辟了新途径。