《Phytopathology Research》：Succinate treatment reduces bacterial wilt disease and modulates the viable soil microbiota in tomato
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琥珀酸（succinate）是三羧酸循环（TCA cycle）的中间产物，并因其在能量代谢中的作用而广为人知。然而，琥珀酸也参与多种生物中多样的细胞信号过程，并可能在植物微生物组（plant microbiome）中发挥信号作用。此前，研究人员已表明，琥珀酸在
琥珀酸（succinate）是三羧酸循环（TCA cycle）的中间产物，并因其在能量代谢中的作用而广为人知。然而，琥珀酸也参与多种生物中多样的细胞信号过程，并可能在植物微生物组（plant microbiome）中发挥信号作用。此前，研究人员已表明，琥珀酸在不可培养受益菌与辅助菌之间的微生物互养（microbial syntrophy）中作为公共物品（public good）发挥作用，支持能量营养缺陷型细菌（energy-auxotrophic bacteria）的存活及其在土壤中的广泛分布。本研究检验了琥珀酸处理是否可管理番茄青枯病（bacterial wilt）并调控可存活土壤微生物群（viable soil microbiota）。当番茄植株接受琥珀酸与旱地土壤微生物组分（upland soil microbial fraction, upland MF）联合处理时，青枯病显著减轻。为评估外源琥珀酸对土体土壤（bulk soil）和根际土壤（rhizosphere soil）微生物群的影响，研究人员利用叠氮丙锭（propidium monoazide, PMA）开展微生物组分析，以聚焦可存活细菌群落。琥珀酸处理显著提高了土体土壤和根际土壤微生物群的微生物多样性，在土体土壤中富集Nocardioidaceae、Sphingomonadaceae和Paenibacillaceae，在番茄根际富集Sphingomonadaceae和Erythrobacteraceae。基于微生物组数据，研究人员构建了由从旱地土壤分离的6株细菌组成的琥珀酸响应型合成微生物群落（synthetic community, SynCom）。有趣的是，该SynCom仅在番茄植株中与琥珀酸共同施用时才能抑制青枯病。研究结果表明，外源琥珀酸可作为新型生物保护剂（bioprotectant），通过富集可存活有益土壤微生物群来管理青枯病，为可持续农业提供有前景的策略。
研究背景与问题：有益土壤微生物群（beneficial soil microbiota）在调节植物健康、增强抗病性、提高非生物胁迫耐受性和促进植物生长中具有重要作用。土壤微生物组（soil microbiome）是植物根系与土壤之间的动态复杂界面，其组成和功能受多种生物与非生物因素塑造；植物可主动从周围土壤微生物库中选择并重塑根际微生物组（rhizosphere microbiome），形成与土体土壤（bulk soil）不同的微生物 assemblage。微生物间既有竞争和抗生素作用等负向互作，也有通过公共物品（public good，可被共享的代谢物，如氨基酸、维生素和过氧化氢酶等）介导的合作。此前研究显示，琥珀酸（succinate）作为三羧酸循环（TCA cycle）中间产物和电子供体，可作为公共物品介导不可培养受益菌Niallia sp. RD1与辅助菌Pseudomonas putida H3之间的微生物互养（microbial syntrophy，微生物间通过代谢物交换形成的互惠关系），支持能量营养缺陷型细菌（energy-auxotrophic bacteria，依赖外源能源或代谢物维持生长的细菌）在番茄根际的存活和土壤中的广泛分布。植物根系也可分泌琥珀酸，近期研究报道根分泌琥珀酸可选择性招募Sphingomonas等有益菌并抑制由Ralstonia pseudosolanacearum引起的番茄青枯病（bacterial wilt）。然而，外源琥珀酸作为土壤改良剂主动调控微生物组并抑病仍 largely unexplored。青枯病由R. solanacearum species complex引起，病原可在深层土壤持久并快速定殖寄主维管组织，管理困难。因此，研究人员提出假设：外源琥珀酸可重塑可存活土体和根际微生物组向抑病配置。研究目标包括：确定琥珀酸±upland MF对青枯病发展的影响；利用基于叠氮丙锭（propidium monoazide, PMA）的16S rRNA基因测序表征可存活土体和根际微生物群的结构与功能潜力；从富集类群构建琥珀酸响应型合成微生物群落（synthetic community, SynCom），评估琥珀酸与目标有益菌联合是否增强植物生长和抑制青枯病。研究结论表明，外源琥珀酸处理可显著减轻番茄青枯病且无生长惩罚；1%琥珀酸不论是否共施upland MF均抑制青枯病，0.1%琥珀酸仅在共施upland MF时提供保护；体外试验证实琥珀酸对R. pseudosolanacearum SL341无直接抗菌活性；琥珀酸提高可存活土壤微生物群多样性并富集特定类群；SynCom仅在琥珀酸共施时抑制青枯病并促进株高。该研究说明外源琥珀酸可作为新型生物保护剂，通过富集可存活有益土壤微生物群管理青枯病，为可持续农业提供策略。
关键技术方法：研究以番茄品种Moneymaker为材料；土体土壤采自东亚大学旱地田（35°14′20.4″N, 128°58′40.8″E），制备upland MF；采用0.1%和1%琥珀酸钠六水合物土壤灌根，±upland MF，并接种R. pseudosolanacearum SL341（10
7 CFU/g soil）；对处理1周和2周的土体和根际土壤进行PMA处理，开展16S rRNA基因V3–V4扩增子测序，基于QIIME2/DADA2和SILVA 138.2分析α/β多样性；用DESeq2和Random Forest鉴定琥珀酸响应ASV，PICRUSt2预测KEGG功能；构建6株SynCom，测定其以琥珀酸为碳源的生长、防病和株高；温室产量试验在韩国金海东亚大学农业试验站进行。
研究结果：
1. 琥珀酸处理降低番茄青枯病（Succinate treatment reduces bacterial wilt disease in tomato plants）：通过0.1%和1%琥珀酸±upland MF土壤灌根并接种SL341后连续14天监测，发现琥珀酸处理显著降低症状和严重度；1%琥珀酸无论是否共施upland MF均抑制青枯病，0.1%仅在共施upland MF时提供保护；体外拮抗试验显示琥珀酸无直接抗菌活性；生长室和田间条件下琥珀酸未造成生长惩罚。结论：抑病可能由土壤环境或微生物群变化而非直接抑制病原介导。
2. 琥珀酸调控可存活土壤微生物群结构（Succinate modulates viable soil microbiota structure）：通过PMA-based 16S rRNA测序，共获得3,778,372条序列并聚类为20,575个ASV；α多样性显示土体土壤物种丰富度和均匀度在处理后1和2周呈浓度依赖增加，根际中0.1%琥珀酸在2周时 richness最高，而1%处理多样性相对下降；基于Bray–Curtis距离的PCoA显示琥珀酸处理与对照明显分离，且0.1%和1%处理形成不同聚类。结论：外源琥珀酸浓度是驱动可存活微生物群落结构的主要因素。
3. 琥珀酸在土体土壤和番茄根际富集特定土壤微生物群（Succinate enriches specific soil microbiota in bulk soil and tomato rhizosphere soil）：通过class水平分析发现Gammaproteobacteria、Alphaproteobacteria、Bacilli、Actinobacteria、Bacteroidia、Verrucomicrobia和Planctomycetes等为优势类群；Verrucomicrobia相对丰度在土体和根际随琥珀酸浓度增加，土体中Bacteroidia在1周随浓度增加；结合DESeq2和Random Forest识别响应ASV，并与番茄根际培养集合匹配≥98.5% 16S rRNA序列一致性；土体1%琥珀酸强富集Nocardioides daeguensis（ASV716）、Sphingomonas kyeonggiensis（ASV6274）和Paenibacillus cineris（ASV9602）；根际1%琥珀酸显著增加Sphingopyxis indica（ASV6693）、Croceibacterium sp. PDR07（ASV4456）和Croceibacterium selenioxidans（ASV6571）；ASV4456在两种土壤1%处理下均增加，ASV6571仅在根际富集。结论：琥珀酸在土体和根际选择性富集特定可存活类群。
4. 土壤微生物组功能潜力变化（Functional potential shifts in the soil microbiome）：通过PICRUSt2预测1%琥珀酸诱导 compartment-specific代谢变化，核心代谢功能在两种土壤中维持；土体优先富集氮相关过程，根际碳和能量相关代谢更突出；土体中碳水化合物转运和代谢（PTS genes、xylK、rbtD、mabO）、胞外多糖生物合成（exo genes）、固氮（nif genes）、Rhizobium相对丰度及ABC transporters如ery genes增加；根际中糖酵解、丙酮酸代谢、戊糖磷酸代谢及辅因子和维生素代谢增强。结论：琥珀酸处理与土体和根际碳代谢及能量产生相关功能潜力增加有关。
5. 琥珀酸响应SynCom增强抑病（Succinate-responsive SynCom enhances disease suppression）：构建由6株琥珀酸响应菌组成的SynCom；所有菌株在无葡萄糖M9培养基 supplemented with琥珀酸时生长增强，表明可利用琥珀酸作为碳和能源；Sphingomonas kyeonggiensis M52-18和Sphingopyxis indica M52-9在所有浓度下呈浓度依赖显著增长，Croceibacterium sp. PDR07和Paenibacillus cineris PZT18仅在0.1%琥珀酸下增长，Croceibacterium selenioxidans 3C13在0.1%和0.5%下增长，Nocardioides daeguensis UR030仅在1%下增长；in planta试验中SynCom单独不显著降低青枯病，但与0.1%或1%琥珀酸共施显著降低病程；1%琥珀酸+SynCom保护最强且株高增加最大（P<0.001）。结论：琥珀酸作为关键信号和能源激活特定土壤细菌的保护潜力。
讨论部分总结：青枯病因病原在深层土壤持久并快速定殖维管组织而难以管理；本研究表明外源琥珀酸通过调控可存活土体和根际微生物群显著抑制番茄青枯病；琥珀酸在体外不直接抑制SL341，说明抑病为间接的微生物组介导现象，与植物来源代谢物通过招募或刺激保护性微生物群抑病的报道一致。琥珀酸既可作为代谢底物，也可作为微生物组调控信号，并可能与植物“cry-for-help”框架一致，但直接证明胁迫诱导琥珀酸分泌超出本研究范围；PMA分析富集Sphingomonas、Sphingopyxis和Nocardioides与琥珀酸介导生物防治模型一致。剂量依赖模式提示，0.1%琥珀酸需要更丰富的琥珀酸响应有益类群库，而1%琥珀酸足以刺激土壤中已存在的低丰度本土微生物；这支持抑病由微生物组重塑而非直接化学毒性驱动。微生物互养和Black Queen Hypothesis可解释特定类群对琥珀酸响应：部分微生物丢失高耗能生物合成功能而依赖邻居释放的代谢物，琥珀酸成为有效代谢货币。SynCom仅与琥珀酸共施时抑病，支持互养解释；外源琥珀酸可能绕过内源代谢辅助者，直接恢复受益菌呼吸和生长，使其达到有效生物防治所需种群密度；琥珀酸同时作为选择性招募 cue 和能量 booster，SynCom成员响应不统一并占据不同代谢生态位。其他可能机制包括增加生物量以改善根际定殖和生态位占据、限制病原空间和资源；Sphingomonas和Sphingopyxis已知产生拮抗性生物活性代谢物，琥珀酸可能支持其生物合成；Sphingomonas和Paenibacillus为系统抗性（induced systemic resistance, ISR）诱导菌，其密度增加可能 priming 番茄免疫，但直接检测茉莉酸或水杨酸相关信号超出范围。PICRUSt2预测支持琥珀酸重塑微生物组向代谢活跃和潜在有益状态，但预测不能替代转录组或代谢组验证。农业应用方面，试剂级琥珀酸成本不应视为田间应用障碍；琥珀酸已通过石化路线和生物基发酵路线工业规模生产，代谢工程进展使其生产成本下降；本研究中有效浓度1% w/v相当于10 g/L，每株灌施体积相对有限；琥珀酸可作为兼具病害管理、微生物组富集和土壤调理潜力的多功能土壤改良剂；未来应评估低成本琥珀酸来源，包括发酵衍生bio-succinic acid和富琥珀酸农业副产物，并在温室和田间条件下验证。
研究结论（翻译）：总之，本研究为“合生生物防治（synbiotic biocontrol）”提供了综合框架，其中特定微生物联合体与其偏好代谢触发物配对。通过利用琥珀酸作为公共物品的作用，可选择性地刺激可存活微生物群以抑制土传病害。该方法不仅提供较高生物防治效率，也有助于长期土壤健康和肥力，为传统农用化学品提供可持续替代。未来研究应关注这些琥珀酸响应SynCom在不同土壤类型中的稳定性，以及其他TCA循环中间产物靶向植物全息生物（plant holobiont）内特定功能群的潜力。
