连续大豆单作驱动区室特异性微生物演替与大豆胞囊线虫抑制性土壤形成

《Environmental Microbiome》：Temporal microbiome succession across plant-nematode niches drives soybean cyst nematode suppression

　　

摘要

背景

大豆胞囊线虫（SCN；Heterodera glycines）是全球大豆最毁灭性的病原体之一。当前的管理策略依赖于有限的抗大豆胞囊线虫品种、轮作以及化学杀线虫剂，而这些策略正日益受到寄主抗性衰退和日益严峻的环境问题的制约。尽管越来越多的证据表明，连作可以形成对大豆胞囊线虫具有抑制作用的土壤，但驱动其形成的微生物和生态过程仍然知之甚少。

结果

在本研究中，我们在受控条件下将易感大豆胞囊线虫的大豆接种于已被大豆胞囊线虫侵染的土壤中，并通过连续种植和转移每个前期种植周期的根际微生物组，建立了具有大豆胞囊线虫抑制作用的土壤。连续种植显著降低了大豆胞囊线虫卵密度，并在后期周期稳定在较低水平。对大豆胞囊线虫胞囊、根内空间和根际的微生物谱分析揭示了各种植周期之间存在显著的微生物重组，其中根际表现出最大的分化。细菌α多样性与大豆胞囊线虫卵密度呈负相关，而真菌多样性则呈正相关。核心微生物组分析未发现在不同区室或种植周期间一致共享的核心细菌类群，但检测到若干持续存在的核心真菌类群。差异丰度分析揭示了区室特异性的功能转变：早期种植周期以较高丰度的类群为特征，这些类群此前被认为与植物营养获取或致病性相关，包括Bradyrhizobium、Microlunatus、Setophoma、Ustilago、Fusarium、Dactylonectria以及Nectriaceae的成员，而后期周期则富集了具有推测拮抗活性的类群，如Ohtaekwangia、Streptomyces、Pseudomonas和Bacillales的成员。关联分析进一步展示了与大豆胞囊线虫卵密度的区室特异性相关性：与大豆胞囊线虫呈正相关的微生物类群在早期周期中富集，但在后续周期中逐渐减少，而呈负相关的类群则在后期周期中积累，反映了各区室间一致的时间动态变化。基于培养物的筛选鉴定出若干具有潜在杀线虫活性的细菌，其中Bacillus sp.（B34）在易感大豆中始终表现出对大豆胞囊线虫的抑制作用。

结论

本研究证明，在大豆胞囊线虫胁迫下的连续大豆单作可以通过协调的、区室特异性的微生物演替驱动形成具有大豆胞囊线虫抑制作用的土壤。大豆胞囊线虫种群数量的下降与群落转变相关联——从早期周期中富集了此前被认为与营养获取或致病性相关的类群的群落，转变为后期周期中富集了具有拮抗潜力的微生物的群落。这些发现强调了寄主相关和线虫相关微生物组的组装及其时空动态在自然病害抑制中的关键作用，并支持了基于微生物组的大豆胞囊线虫可持续管理策略。