《Environmental Microbiology》：Core and Keystone Epiphytic and Endophytic Bacteria Associated With Potato Leaves Are Driven by Cultivar and Site
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定殖于叶表面和内部组织的细菌有益于马铃薯健康与生产力。这些细菌是否存在于不同马铃薯品种和生产田中尚不清楚。研究人员从澳大利亚三个生产区域的12个商业农场采集大田种植的马铃薯（Imperial Blue、Innovator、Nicola 和 Royal Blue
定殖于叶表面和内部组织的细菌有益于马铃薯健康与生产力。这些细菌是否存在于不同马铃薯品种和生产田中尚不清楚。研究人员从澳大利亚三个生产区域的12个商业农场采集大田种植的马铃薯（Imperial Blue、Innovator、Nicola 和 Royal Blue）叶片样品。通过扩增子测序（amplicon sequencing）分析表生（epiphytic）和内生（endophytic）细菌。品种与地点均影响细菌群落组成，其中内生菌受品种强烈影响，而表生菌较不一致。地点特异性细菌随气候变异，地理位置影响有限。跨品种和地点鉴定到的内生细菌为 Delftia sp.、Acinetobacter sp. 和 Caldalkalibacillus thermarum。相同的 Delftia sp. 和 C. thermarum 也是品种 Imperial Blue、Innovator 和 Royal Blue 的品种特异性核心内生菌。Pantoea sp. 是唯一的核心表生菌。可重复核心分类群的相对丰度在品种间无显著差异。Delftia sp. 是多个品种内生和表生群落中唯一推定的关键类群。结果表明，马铃薯叶细菌群落受品种和地点影响，但也具有共享核心。这些发现支持对核心细菌分类群在马铃薯中的作用进行分离和进一步研究。
研究背景与问题：马铃薯（Solanum tuberosum）是全球重要作物，年产量近3.9亿吨，2024年价值约1000亿美元；澳大利亚在截至2025年6月的一年中出口近49,900 t鲜马铃薯，价值5220万澳元。马铃薯在澳大利亚全年种植，South Australia、Tasmania和Victoria为主要产区。然而，马铃薯易受生物和非生物胁迫，并高度依赖化学投入；化学投入增加带来土壤健康、非靶标效应和人类健康等环境与健康问题。微生物组有潜力可持续改善植物生长、养分吸收和抗病性，但马铃薯微生物组研究主要集中于地下根际和块茎微生物组，叶微生物组了解不足。叶微生物组包括叶表面的表生细菌（epiphytic bacteria，定殖于叶表面的细菌）和内部组织的内生细菌（endophytic bacteria，定殖于叶内部组织的细菌）；两者在理化性质、资源可利用性和微生物定殖方面不同。叶表面环境严酷且多变，受温度波动、紫外辐射和湿度变化影响；叶内生境更受保护，可接触植物养分，并受宿主免疫反应及酚类、糖苷生物碱等防御化合物影响。现有马铃薯叶微生物组知识多基于培养依赖方法，分子方法有限，且较少在考虑宿主和气候因素时区分表生与内生群落。核心微生物组（core microbiome）指跨地点变异仍持续存在的类群，参与养分循环、植物生长和病害保护；区分可重复核心微生物组（reproducible core microbiome，跨地点和品种出现的类群）与品种特异性核心微生物组（cultivar-specific core microbiome，仅与特定品种相关的类群）有助于判断管理策略应通用还是品种特异。Hub taxa为群落中高度连接的成员，可作为推定关键类群（putative keystone taxa），影响群落稳定性和植物健康。因此，研究人员开展本研究以检验马铃薯品种和生产地点是否影响澳大利亚主要产区的马铃薯叶细菌群落，并假设内生细菌群落在地点和品种间较一致，而特定品种的表生细菌群落随地点变化；尽管地点和品种不同，两个区室均预期具有可重复核心类群。
研究人员开展了什么研究、得出什么结论及意义：研究人员在澳大利亚Western Australia、Victoria和Tasmania的12个商业农场，采集Imperial Blue、Royal Blue、Innovator和Nicola四个品种的大田马铃薯叶片，分别分析表生和内生细菌。结果表明，叶细菌群落随品种、叶区室和地点变化；品种对群落组成影响最强，其次为地点气候条件。Delftia sp.是核心且推定关键内生菌，也是推定关键表生菌；Pantoea sp.是核心表生菌。研究意义在于，直接从商业农场采样可捕获真实耕作条件下气候、土壤和管理自然变异下的微生物组组成，使结果较受控环境研究更适用于农业；跨地点稳定检测到Delftia sp.等核心分类群，支持其外源施用后在马铃薯生产中有持久存在可能，并支持可持续作物生产；品种特异性核心类群反映宿主特异性选择，为开发品种靶向微生物组方法提供基础；后续需在田间验证核心类群在马铃薯健康、生产力和胁迫耐受性中的作用。
关键技术方法（不超过250字）：样本队列来源于2024年11月至2025年1月澳大利亚Western Australia、Victoria和Tasmania的12个商业农场，涵盖Imperial Blue、Royal Blue、Innovator和Nicola四个品种；每地点每品种取5株，种植后4–7周采集叶片。研究人员分离表生与内生细菌，针对16S rRNA基因V4区进行扩增子测序（amplicon sequencing），并使用肽核酸钳（PNA clamps）抑制线粒体和叶绿体扩增；序列经dada2和SILVA数据库处理得到扩增子序列变异（ASV，Amplicon Sequence Variants）。统计分析使用Kruskal-Wallis检验、Dunn事后检验、PERMANOVA（permutational multivariate analysis of variance，置换多元方差分析）、betadisper、PCoA（principal coordinate analysis，主坐标分析）、dbRDA（distance-based redundancy analysis，基于距离的冗余分析）、变差分解、核心类群分析和NetCoMi网络分析。
研究结果：
3.1 细菌多样性与群落组成：通过alpha多样性（alpha diversity，样本内多样性）分析发现，内生细菌群落的Shannon H′指数和Richness在品种和地点间存在显著差异。cv. Nicola内生群落的Shannon H′指数显著低于Imperial Blue、Innovator和Royal Blue；cv. Innovator内生群落的Richness显著高于Imperial Blue、Nicola和Royal Blue。各品种内生细菌alpha多样性随地点变化，但仅cv. Nicola在ME和NM地点间Shannon H′指数差异显著，ME多样性更高。表生细菌群落的alpha多样性在品种（Innovator和Nicola）或地点间均无显著差异。通过群落组成分析发现，内生和表生细菌群落组成在品种和地点间均显著不同；总体分析中，品种的F统计量高于地点，且内生菌的品种效应强于表生菌；未检测到品种与地点的显著交互作用。每个品种内生细菌群落组成在采样地点间显著不同；但Innovator和Nicola存在显著组内离散度差异，分别由P47和PV7以及ME的较高变异性驱动。表生细菌群落中，地点仅对Innovator有显著影响。在WA同地点比较时，Imperial Blue与Royal Blue内生群落无显著差异，跨地点平均后也无差异；但地点对群落组成有强显著影响，同一品种在不同地点具有不同群落。
3.2 跨地点内生与表生细菌群落组成的气候驱动因素：通过dbRDA和变差分解分析发现，平均最高温度和相对湿度两个气候因子与所有地点细菌群落变异显著相关，且比地点位置解释更多变异，但二者贡献重叠。气候和地点位置共同解释36.2%的微生物组变异，其中22.3%为共享，气候单独解释4.6%，地理位置单独解释9.3%，63.8%未解释。对内生群落，气候因子的关联显著更强且更一致，平均最低温度、平均最高温度、降雨和相对湿度均显著，说明气候条件是群落组成的主要驱动因素，地点位置影响较小。对表生群落，气候因子关联显著但较弱且不一致，仅平均最高温度显著，相对湿度边缘显著；气候因子和地点位置各自独立解释较少变异，分别为4.5%和3.7%，87.6%未解释。
3.3 细菌相对丰度：通过各品种不同地点细菌相对丰度（relative abundance）分析发现，细菌丰度随地点变化。内生群落中，Imperial Blue和Royal Blue在GP与MU/MY地点间显著不同，与GP地点Ralstonia高丰度相关；Innovator在CHL和NY地点间相似，但在Tasmania的P47地点不同，Klebsiella较高，Caldalkalibacillus和Delftia较低；Nicola在ME地点Enterococcus和Ralstonia丰度高于DO和NM。表生群落丰度也在地点间不同；Innovator在P47和PV7地点相似，而其他地点不同；Nicola在ME地点Enterococcus、Sanguibacter和Stenotrophomonas丰度高于DO和NM。
3.4 核心与推定关键类群：通过可重复核心分析和品种相关核心分析发现，Acinetobacter sp.、Caldalkalibacillus thermarum、Delftia sp.和NcG_Bacillaceae四个ASV为跨所有地点和品种的内生可重复核心类群；Pantoea sp.是表生群落唯一核心类群。内生核心类群相对丰度随地点变化，但品种间无显著差异；Acinetobacter sp.、Caldalkalibacillus thermarum和Delftia sp.存在显著地点效应，NcG_Bacillaceae和Pantoea sp.无显著效应。品种特异性核心类群在各区室不同：Caldalkalibacillus thermarum和Delftia sp.是Imperial Blue、Innovator和Royal Blue的内生核心且高丰度类群，但在Nicola中可忽略；Nesterenkonia sp.为Imperial Blue和Innovator的品种特异性核心类群；Acinetobacter sp.和Sphingomonas koreensis仅在Innovator内生群落中检测到；Pantoea sp.是Nicola和Innovator唯一核心表生类群，也是Nicola的优势属。推定关键类群部分与核心类群重叠：Delftia sp.在Imperial Blue、Innovator和Nicola中被鉴定为推定关键内生类群，Caldalkalibacillus thermarum在Innovator中为推定关键内生类群；Imperial Blue和Innovator中若干关键类群也属于核心群落；Royal Blue和Nicola的关键类群与其核心类群不同，包括Royal Blue的Pantoea sp.和Massilia sp.以及Nicola的Delftia sp.。表生群落中，Pantoea sp.是Innovator和Nicola的核心类群，但不是关键类群；Delftia sp.在内生和表生群落中均为推定关键类群，但不存在其他跨品种共同关键类群。推定关键表生类群在品种间不同，包括Innovator的Pseudoarthrobacter sp.、Pseudomonas sp.和Frondihabitans sp.，以及Nicola的Delftia sp.和Paenibacillus sp.。
讨论部分总结：本研究讨论指出，叶细菌群落随品种、叶区室和地点变化，品种影响最强，其次为地点气候条件；Delftia sp.为核心和推定关键内生菌，也是推定关键表生菌，Pantoea sp.为核心表生菌。品种对内生群落的强效应与既往叶微生物组研究中宿主基因型通过叶片化学和免疫反应进行强选择性过滤一致；马铃薯根细菌群落也报道过类似品种特异性差异。每个品种内，内生群落组成随地点变化，说明除宿主基因型外，气候条件也贡献群落变异；温度与相对湿度是内生群落主要驱动因素，提示即使位于叶组织内，内生群落仍响应气候条件，可能通过植物介导的养分可利用性和叶生理变化实现。气候对叶表生群落影响较小，地点仅在Innovator中为驱动因素；这可能与Nicola仅采自三个邻近地点、降低检测地点相关气候变异的能力有关，也可能反映叶面微气候、波动天气和植物间微生物扩散等局部因素影响。同一品种内不同地点群落差异，且同地点不同品种更相似，说明地点气候对群落组成的影响强于宿主基因型；Ralstonia、Klebsiella和Enterococcus等属的地点差异进一步提示土壤性质、气候和管理措施影响微生物组组成。Delftia spp.曾在既往研究中被鉴定为马铃薯叶内生菌，从cv. Achirana Inta茎分离的Delftia对病原Ralstonia solanacearum有拮抗活性，该属成员还可促进植物生长、赋予胁迫耐受并提供生物防治，支持Delftia作为核心和推定关键类群可能有助于植物健康和病害抑制。共享核心和关键类群提示优势与低丰度成员均可能贡献群落稳定性；有些关键类群不属于核心，说明低丰度类群可能支持特殊功能，优势类群影响整体群落结构。品种间关键类群差异表明微生物互作网络由品种基因型决定，即使主要类群共享；Pantoea sp.和Pseudomonas sp.在Innovator和Nicola表生样品中为优势类群，提示这些品种支持适应叶面环境的类群；既往研究中来自马铃薯品种Desirée和Cilena的Pseudomonas sp.分离株对病原Rhizoctonia solani有体外拮抗活性，提示品种特异性微生物组网络可影响植物保护和生长调节。
结论翻译：通过考虑澳大利亚12个商业田间地点的两个马铃薯叶部区室和四个品种，本研究鉴定出跨地点一致的可重复核心微生物组，以及受宿主基因型影响的品种特异性核心微生物组。直接从商业马铃薯农场采样捕获了真实耕作条件下的微生物组组成，反映了气候、土壤和管理的自然变异。与受控环境研究相比，该方法使研究结果更适用于农业，因为鉴定到的分类群可能在不同耕作条件下稳定。核心分类群Delftia sp.在多个田间的持续检测表明，若在马铃薯生产中外源施用，其具有较强持久性可能，支持可持续作物生产。品种特异性核心分类群反映宿主特异性选择，并为开发品种靶向微生物组方法提供基础。进一步工作应聚焦于在田间条件下验证核心分类群在马铃薯健康、生产力和胁迫耐受性中的作用，使用宏基因组学（metagenomics）、转录组学（transcriptomics）和培养组学（culturomics）为马铃薯生产的微生物组管理策略提供信息。
