田间大豆自然感染镰刀菌后根际微生物组的响应特征及其对作物抗病性的启示

本研究针对大豆镰刀菌病害防控中化学药剂环境危害大且效果有限的问题，通过多田块采样和DNA扩增子测序技术，揭示了自然感染Fusarium solani的大豆根际微生物组变化规律。研究发现病原菌感染会诱导特定Sphingomonas等有益菌的富集，但微生物群落变化具有明显的田块特异性，同时鉴定出Clonostachys rosea等具有生防潜力的真菌类群。该成果为开发基于微生物组的可持续病害管理策略提供了理论依据，发表于《Plant and Soil》。

　　

在全球农业可持续发展面临挑战的背景下，土壤传播的植物病原菌防治一直是困扰科研人员的难题。传统化学农药不仅对环境造成持久危害，对土传病原菌如镰刀菌(Fusarium)的防治效果也有限。有趣的是，植物在进化过程中形成了"呼救"机制——通过改变根系分泌物主动招募有益微生物来抵御病原菌侵袭。这种现象在拟南芥(Arabidopsis thaliana)和小麦等作物中已有报道，但在重要经济作物大豆(Glycine max)中的研究仍存在空白。更关键的是，实验室环境下的发现能否在复杂的田间条件下重现？这个问题的答案直接影响着微生物组技术在农业实践中的应用价值。

为探究这一科学问题，由荷兰乌得勒支大学Sietske van Bentum领衔的国际研究团队，在美国肯塔基州三个商业化大豆田开展了开创性研究。研究人员选择自然感染镰刀菌的田块，通过比较健康与病株的根际微生物组，试图揭示跨田块稳定的有益微生物招募模式。这项研究不仅有助于理解植物-微生物互作在自然生态系统中的运作机制，更为开发基于微生物组的病害防控策略提供了重要线索。相关成果发表在植物科学领域权威期刊《Plant and Soil》上。

研究团队运用了多项关键技术：1)田间采样策略——在三个商业化大豆田采集健康与表现叶部症状(萎黄、坏死和早期落叶)的植株样本，记录GPS坐标和病害严重程度分级(0-4级)；2)改良的DNA提取方法——结合DNeasy PowerSoil试剂盒和MagMAX Microbiome Ultra核酸纯化系统，适配大豆根系样本特点；3)高通量测序分析——采用16S rRNA基因和ITS2扩增子测序(Illumina NovaSeq平台)，使用阻断引物抑制植物DNA扩增；4)生物信息学流程——通过DADA2获得扩增子序列变异体(ASV)，基于SILVA和UNITE数据库进行物种注释，采用五种统计方法(ANCOM-bc、DESeq2等)鉴定差异丰度ASV。

Disease severity in three commercial soybean fields in Kentucky

通过标准化病害分级系统发现，三个田块的病株在整株和单叶水平的症状严重程度无显著差异，表现为典型的镰刀菌引起的猝死综合征(Sudden Death Syndrome, SDS)症状，为后续微生物组比较提供了均匀的病害背景。

Microbial diversity in the rhizosphere of field-grown soybean plants

测序数据分析显示，三个田块共获得187-219个真菌ASV和6,016-6,269个细菌ASV。值得注意的是，病株根际的真菌ASV数量在2个田块显著增加，暗示病害可能改变了微生物群落结构。但微生物组成主要受田块因素驱动，细菌群落的田块间差异尤为明显(R²>0.03)。

Disease has a minor effect on soybean rhizosphere microbiome composition

主坐标分析(PCoA)表明，病害对微生物群落的影响具有田块特异性：仅在Field 1显著改变细菌群落(R²=0.04)，在Field 3显著改变真菌群落(R²=0.04)。这种田块特异性说明土壤微生物库差异可能决定了植物可招募的有益微生物种类。

Differentially abundant microbial ASVs between the rhizosphere of healthy and diseased plants

通过多方法联合分析鉴定出：1)Field 1和3病株中显著富集的Sphingomonas ASV 37efc，该属细菌此前已被报道具有抑制其他植物病原菌的潜力；2)健康植株中富集的生防真菌如Clonostachys rosea、Penicillium和Trichoderma strigosellum；3)所有田块病株中均显著增加的Fusarium solani ASV 4be81和Macrophomina phaseolina，提示可能存在复合侵染。

Abundance of Fusarium solani ASVs in relation to disease incidence

系统发育分析揭示一个关键发现：51个注释为F. solani的ASV中，46个实际上与SDS病原菌F. tucumaniae和F. virguliforme的ITS2序列相似度更高(99.42%)。而真正的F. solani ASV 4be81在所有田块病株中持续富集，被确定为最可能的致病菌株。

研究结论部分强调了三方面重要意义：首先，首次在田间条件下证实大豆可通过"呼救"机制招募Sphingomonas等有益细菌，但该过程受当地土壤微生物库限制而呈现田块特异性；其次，发现F. solani ASV 4be81与M. phaseolina的协同致病现象，为理解复合侵染提供了新视角；最后，鉴定出的Clonostachys rosea等生防真菌，为开发新型微生物制剂提供了候选菌株。

这项研究的重要价值在于将植物-微生物互作研究从实验室扩展到真实农田环境，揭示了农业生态系统的复杂性。作者特别指出，未来研究需要结合分离培养和接种实验来验证这些候选微生物的功能，并开发适用于不同土壤类型的微生物组调控策略。这些发现为减少农业对化学药剂的依赖、发展可持续病害管理方法奠定了重要理论基础。