基于微生物互作网络简化的玉米镰刀菌茎腐病合成菌群生物防治策略

《The ISME Journal》：Network-guided synthesis of antagonistic microbiota for suppressing maize stalk rot disease

　　

摘要

植物相关微生物组在维持宿主健康和适应性方面发挥着至关重要的作用，但病原体入侵如何重塑微生物互作网络以及如何利用这一机制开发有效的生物防治策略，目前仍未得到充分理解。本研究通过整合大规模扩增子测序、网络简化和实验验证，调查了镰刀菌茎腐病胁迫下的玉米微生物组。为区分由环境和地理因素驱动的虚假关联与真实的生物互作，我们应用了一个简化的分析框架来过滤非生物相关性。所得互作网络显示，病原体感染显著增加了除种子外所有玉米部位的网络复杂性和潜在负性互作的比例。具体而言，与镰刀菌的潜在负性互作在根际微生物组中显著富集，涉及大量尚未培养的类群以及已知的生物防治属（如表壳霉属、伯克霍尔德菌属和诺卡氏菌属）。随后从这些类群中分离出代表性菌株，并组装成一个合成微生物群落（SynCom）。该基于简化网络衍生的SynCom显著抑制了由维里希镰刀菌和禾谷镰刀菌引起的玉米茎腐病。在非灭菌土壤中，该SynCom的抑病效果显著强于随机组装的SynCom或基于未简化网络衍生的SynCom。整合转录组和代谢组分析表明，该SynCom通过产生具有抗真菌作用的代谢物（包括壬二酸）以及可能通过诱导宿主防御反应来赋予抗性。总之，本研究为了解病原体胁迫下的植物-微生物互作提供了有意义的见解，并提出了一种将计算生态学与实验验证相结合的分析-实验工作流程，用于开发针对玉米茎腐病的生物防治策略。