植原体侵染驱动泡桐内生菌群组织特异性崩溃：丛枝病发生中的微生物网络瓦解与功能重塑

本刊推荐：本研究首次揭示植原体（Phytoplasma）侵染导致泡桐丛枝病（PaWB）过程中，宿主内生细菌群落发生组织特异性崩溃。通过扫描电镜、巢式PCR和16S rRNA测序技术，发现症状组织（叶片和枝条）中微生物多样性显著丧失、互作网络瓦解，且碳水化合物降解和色氨酸代谢功能紊乱，而根际菌群保持稳定。研究鉴定出11个关键微生物标志物（包括Candidatus Phytoplasma），为PaWB的早期诊断和精准防控提供了新策略。

　　

引言

植物组织（包括叶片、茎干、根系和根际）中定殖着多样的微生物群落，这些微生物组通过调节养分吸收、激素生物合成和病原防御反应深刻影响植物的生产力和健康。与此同时，植物也主动塑造其相关微生物群，尤其在生物胁迫下招募有益微生物以形成系统抗性。泡桐（Paulownia）作为中国原产的速生落叶乔木，是重要的用材和防护林树种，但其生存和生产力受到泡桐丛枝病（PaWB）的严重威胁。该病由植原体感染引起，常被称为“泡桐的癌症”，导致枝条异常增生、节间缩短和植株死亡，严重地区发病率超过80%，仅在中国就造成每年数十亿元的经济损失。尽管对宿主在基因组、转录组、蛋白质组、代谢组和生理水平上的响应已有较多认识，但PaWB发病机制对泡桐微生物组的影响，尤其是植原体如何影响不同组织部位微生物群落的组成和功能，仍不清楚。

材料与方法

研究在河南省禹州市的泡桐试验林进行，选择健康和有丛枝病症状的泡桐植株，分别采集叶片、枝条、根系和根际土壤样本。利用扫描电子显微镜观察枝条横截面形态结构；通过巢式PCR技术检测植原体在健康树、症状树及无症状组织中的存在；采用16S rRNA基因V5–V7区测序（使用799F/1193R引物）分析细菌群落结构；利用FLASH拼接高质量序列，UPARSE以97%相似度聚类OTU，并通过RDP Classifier进行物种注释。进一步通过vegan包计算α和β多样性，WGCNA构建微生物共现网络，随机森林（randomForest）筛选生物标志物，PICRUSt2预测微生物功能潜能。

结果

表型与植原体检测

健康和无症状枝条形态正常、粗壮，而症状枝条表现出次级枝增生和细弱化。扫描电镜显示健康、无症状和症状枝条的内部组织结构（如髓腔和中柱小孔）无显著差异。巢式PCR在症状枝条（SB）、无症状枝条（ASB）和病根（DR）中均扩增出约1.2 kb的植原体16S rRNA片段，且无症状样本条带较浅，健康对照中未检测到。

细菌群落α多样性

症状叶片（SL）和枝条（SB）的Shannon、Chao1和Pielou均匀度指数均显著低于健康（HL、HB）及无症状（ASL、ASB）组织。无症状叶片中Shannon和均匀度指数反而高于健康叶片。地下部分（根系和根际土壤）的α多样性在健康与发病条件下无显著差异。

群落结构差异

PCo分析显示，健康与无症状的枝叶样本聚为一类，与症状样本明显分离；根和根际土壤样本也与地上部分分开。PERMANOVA表明植物部位（R2=0.22, P<0.001）和健康状态（R2=0.18, P<0.001）均显著影响菌群结构。

标志物物种与植原体梯度

随机森林模型在属水平筛选出11个关键预测因子，其中Candidatus Phytoplasma贡献最大，其次为Novosphingobium和Sphingomonas。植原体在症状叶片和枝条中相对丰度极高（分别达98.8%和86.4%），病根中为17.7%，无症状枝叶中显著降低（1.7%和1.0%），健康树中仅痕量存在（叶0.1%，枝0.2%，根2.4%），根际土壤中未检出。

微生物网络与功能预测

共现网络分析表明，症状枝叶中节点数和连接数大幅减少，网络复杂性下降，且负相关关系比例降低；无症状样本中网络复杂性与健康样本相近，但负相互作用增加。根系网络在发病条件下复杂性甚至升高。PICRUSt2预测显示，症状叶片中碳水化合物降解途径、症状枝条中2-氨基酚降解功能富集；健康枝叶中分别富集细胞壁合成和L-色氨酸降解；根系中健康样本富集芳香化合物降解，病根中富集没食子酸降解。

讨论

组织特异性微生物组崩溃先于症状出现

研究表明植原体感染导致泡桐地上组织（叶片和枝条）的内生菌群发生多样性丧失和网络结构瓦解，且这种变化在症状显现之前即可发生。地下菌群则表现出较强的稳定性。

潜在定植与微生物组稳定性决定症状发生

植原体在无症状组织中的低丰度存在说明其可处于潜伏感染状态。其相对丰度与细菌α多样性呈显著负相关，标志微生物组的崩溃是疾病进展的早期指标。微生物互作网络分析提示，无症状组织中较高的负相互作用可能反映了群落对病原的抑制能力，而症状组织中网络的简化则可能导致疾病暴发和恶性循环。

分类群重组与功能紊乱

症状组织中菌群从变形菌门为主转变为厚壁菌门（主要即植原体）占绝对优势，且有益菌如Sphingomonas和Methylobacterium被排斥。功能上，碳水化合物代谢紊乱可能与植原体引起的韧皮部阻塞和糖积累相关，进而促进机会性微生物生长；色氨酸代谢干扰则可能影响生长素合成，导致激素失衡和丛枝症状。

应用与展望

本研究鉴定的11个微生物标志物（尤其是Candidatus Phytoplasma梯度变化）为丛枝病早期诊断提供了可靠依据。通过调控微生物组（如接种有益菌或调整群落结构）可能成为PaWB防控的新策略。未来需采用定量分子技术（如qPCR）和时空动态采样进一步验证菌群与病原互作的因果关系。

结论

该研究从微生物生态学角度揭示了PaWB的发病新机制：植原体侵染引发宿主地上组织菌群的多样性丧失、网络瓦解和功能重塑，且这些变化先于外部症状出现。研究为基于微生物组的疾病预警和生态调控奠定了理论基础。