镰刀菌头枯病感染下大麦内生真菌群落动态与抗病机制研究

本综述系统探讨了镰刀菌头枯病（Fusarium Head Blight, FHB）感染对大麦内生真菌群落结构与功能的影响。研究通过ITS测序技术揭示，FHB感染显著提升了大麦组织内真菌操作分类单元（OTUs）及物种多样性，并鉴定出多种具生防潜力的内生真菌（如Cladosporium、Penicillium等）。该成果为利用微生物组策略开发新型生物防治剂、培育抗病大麦品种提供了重要理论依据。

　　

Abstract

镰刀菌头枯病（FHB）是由禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）引起的毁灭性真菌病害，严重影响大麦（Hordeum vulgare L.）等禾谷类作物产量和品质。本研究通过比较不同发育阶段、生长条件（温室、研究田和FHB病圃）下"未感染"与"FHB感染"大麦基因型各组织中的内生真菌群落，发现FHB感染大麦的真菌操作分类单元（OTUs）和内生真菌物种数量显著高于健康大麦。18S-内转录间隔区（ITS）测序分析显示，2021年收获的FHB感染种子内生真菌多样性（120 OTUs）高于未感染种子（113 OTUs）。单向方差分析和Tukey多重比较（p ≤ 0.05）证实了组织间和基因型间的显著差异。具有植物保护和防御功能的内生真菌多样性增加，可能通过生物防治作用抑制镰刀菌生长并降低FHB感染。

Introduction

FHB病害导致谷粒皱缩变色，并产生脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）等霉菌毒素，威胁人畜健康。大麦作为全球第四大谷物，其营养价值和经济效益受到FHB的严重威胁。尽管育种学家尝试培育抗病品种，但由于抗源匮乏和筛选技术限制，进展缓慢。化学杀菌剂的使用又面临环境与健康风险。内生真菌作为植物组织内的共生微生物，能通过代谢产物增强植物对生物/非生物胁迫的抗性。研究表明小麦种子内生真菌对禾谷镰刀菌具有拮抗作用，这为FHB治理提供了新思路。本研究首次采用ITS测序技术系统分析加拿大大麦品种在FHB感染下的内生真菌群落变化，填补了该领域的研究空白。

Materials and methods

选用FHB抗性水平不同的四个大麦基因型（Kutahya、AAC Connect、AAC Synergy和CDC Bold），于2021-2022年在温室、研究田和FHB病圃进行培养。样本在软面团期和成熟期采集，经表面灭菌（5%次氯酸钠+50%乙醇）后，采用Omega Biotek试剂盒提取DNA。使用ITS引物（正向：5′-TCGTCGGCAGCGTCAGATGTGTATAAGAGACAGTCCGTAGGTGAACCTGCGG-3′；反向：5′-GTCTCGTGGGCTCGGAGATGTGTATAAGAGACAGTCCTCCGCTTATTGATATGC-3′）进行扩增，通过Illumina MiSeq平台进行2×300 bp双端测序。使用UNITE数据库（v7.2）进行物种分类，采用R语言（v4.4.1）进行t-SNE可视化分析，Minitab（v22.1.0）进行统计学检验。

Results

Outdoor experiments

2021年6-7月平均气温较2022年高1.6°C和1.3°C，而8月气温2022年更高。降水分布差异显著影响内生真菌群落结构。

Fungal endophytes in non-infected samples at mid-dough stage

根组织内生真菌多样性最高，Setophoma为2021年优势属（Kutahya: 210 OTUs; AAC Synergy: 1067 OTUs）。2022年根组织中Bipolaris显著富集，Microdochium在GB132013根样本中达452 OTUs。头状组织中Alternaria和Mycosphaerella丰度较高。

Fungal endophytes in FHB-infected samples at mid-dough stage

FHB感染样本显示更高的病原性内生真菌多样性。2021年根组织中Setophoma、Fusarium、Gibberella和Bipolaris为共有优势属。Sarocladium和Cyathus特异富集于GB132013根样本。2022年根组织中Metschnikowia和Setophoma显著增殖（p ≤ 0.05），Microidium和Olpidium在根组织中特异性分布。

Fungal endophytes in mature seeds

2021年FHB感染种子物种数（120种）高于未感染种子（113种），2022年趋势相反。Alternaria为2021年共有优势属，Fusarium物种在感染样本中广泛分布。中度抗病基因型GB132013展现最高物种多样性。

Indoor experiment

温室条件下种子内生真菌多样性显著低于田间。Penicillium astrolabium为共有优势种，Cladosporium（6种）和Alternaria（3种）为多物种属。GB132013基因型显示独特的Anthracocystis flocculosa富集（已知生防菌）。

Original seed source

亲本种子物种多样性较低，Alternaria betae-kenyensis为所有基因型共有种。GB132013和CDC Bold保持较高多样性，且未检测到Fusarium graminearum。

Discussion

FHB感染通过改变植物生理状态促进机会性病原菌定殖，导致病原性内生真菌多样性增加。具有生防潜力的菌属（如Cladosporium、Penicillium）在抗病基因型中的富集，表明微生物-植物互作在抗病机制中的关键作用。环境因素（温度、降水）显著影响内生真菌群落组装，2022年干旱导致物种多样性降低。垂直传播机制使亲本种子内生真菌群落影响后代微生物组构成。温室与田间样本的多样性差异印证了环境因子对微生物群落的调控作用。研究结果为利用内生真菌作为生物防治剂、培育抗病品种提供了微生物组学依据。

Conclusion

本研究揭示了FHB感染对大麦内生真菌群落结构的影响规律，鉴定了多个与抗病性相关的核心微生物类群。未来需进一步解析植物-微生物-病原体互作机制，开发基于微生物组的FHB绿色防控策略，为作物抗病育种提供新方向。

Acknowledgements

感谢AAFC-Brandon的Bryan Graham先生和AAFC-Morden的Ali Sabra博士的技术支持，感谢圭尔夫大学Duane Falk博士和萨斯喀彻温大学Aaron Beattie博士提供的种子材料。