升高的CO2解耦细菌拮抗作用与小麦全蚀病抑制并重塑根际微生物组响应

《Plant Physiology and Biochemistry》：Elevated CO 2 decouples bacterial antagonism from wheat take-all suppression while reshaping rhizosphere microbiome responses

　　

升高的CO2（eCO2）解耦细菌拮抗作用与小麦全蚀病抑制，同时重塑根际微生物组响应。体外实验表明，细菌联合体在eCO2条件下对小麦全蚀病菌（Gaeumannomyces graminis var. tritici，Ggt）菌丝生长的抑制率最高可达40%。体外细菌对Ggt的拮抗作用具有菌株、时间和CO2依赖性：在环境CO2（aCO2）条件下早期（第2天）抑制效果更佳，而联合体及Acinetobacter sp.在第6天于eCO2条件下表现出更强的抑制作用。在eCO2培养室条件下生长的植株，各处理均表现出更高的地上部生物量和净光合速率。接种BBB联合体在两种CO2培养室条件下均未显著降低根部病害严重度。eCO2培养室环境与根际微生物多样性增加相关，并有利于适应胁迫的分类群及预测代谢途径。

论文解读

研究背景与问题

气候变化正深刻改变全球农业生态系统，大气CO₂浓度持续升高预计将在本世纪末达到较高水平，这一趋势直接影响作物病害的发生与流行。小麦全蚀病是由禾顶囊壳小麦变种（Gaeumannomyces graminis var. tritici，Ggt）引起的一种毁灭性根部病害，可导致小麦产量损失高达50%，在欧洲、英国、澳大利亚和新西兰等地区均造成严重经济损失。传统的化学防治手段面临环境和可持续性挑战，因此利用植物促生细菌（PGPB）进行生物防治成为重要的替代策略。

研究人员此前已从智利南部抑制性土壤中分离出由Bacillus sp.、Serratia sp.和Acinetobacter sp.组成的细菌联合体（BBB），该联合体在抑制Ggt生长方面表现出80%的生物防治活性提升。然而，未来大气CO₂浓度升高将如何影响Ggt的致病性、BBB的生物防治效能以及小麦根际微生物群落的组装，目前尚不清楚。基于此，研究人员提出三个核心假设：eCO₂会以菌株依赖方式改变体外细菌拮抗作用及酶活性；eCO₂会影响全蚀病发展和寄主生理胁迫并重塑小麦根际微生物组；BBB联合体接种在aCO₂和eCO₂条件下均能减轻全蚀病严重度。这项研究旨在为未来气候变化情景下小麦全蚀病的可持续管理提供科学依据。

主要技术方法

研究采用体外拮抗实验和气候控制温室实验两种互补策略。体外实验中，在双培养基（PDA:LB=1:1）平板上将Ggt与各细菌菌株及联合体共培养，分别在400 ppm（aCO₂）和1000 ppm（eCO₂）两种CO₂浓度下进行，于第2天和第6天测定Ggt菌丝相对生长率、超氧化物歧化酶（SOD）活性和几丁质酶活性。植物实验中，以智利南部未灭菌的Andisol农业土壤为基质，设置对照、Ggt接种、BBB接种和Ggt+BBB联合接种四种处理，在两种CO₂浓度的密闭生长室中培养小麦（品种Fritz）45天，收获后测定土壤化学性质、植物生理参数（净光合速率、蒸腾速率、气孔导度）、病害严重度、地上部和根部生物量、根部脂质过氧化（TBARS）水平。根际微生物群落分析采用16S rRNA基因V3-V4区扩增子测序（Illumina MiSeq平台），使用QIIME2进行ASV分析，FAPROTAX和PICRUSt2进行功能预测，SparCC构建共现网络。

研究结果

实验1：eCO₂条件下Ggt-细菌体外拮抗作用

细菌处理、培养时间和CO₂浓度均显著影响Ggt菌丝相对生长。所有细菌处理均抑制Ggt生长，但CO₂效应的方向和幅度呈菌株和时间依赖性。第2天时，所有细菌处理在aCO₂条件下的Ggt相对生长率显著低于eCO₂，表明环境CO₂条件下早期抑制效果更强。到第6天，Bacillus sp.和Serratia sp.在aCO₂下仍保持更强的生长抑制，而Acinetobacter sp.和细菌联合体（BBB）在eCO₂条件下表现出显著增强的拮抗作用，联合体抑制率最高达40%。

SOD活性分析显示，第6天时细菌联合体在eCO₂条件下表现出最低的SOD活性（38.76 U·mg^-1蛋白），而Bacillus sp.（105.35 U·mg^-1）和Acinetobacter sp.（120.69 U·mg^-1）在eCO₂下第2天SOD活性显著升高。到第6天，三种菌株的SOD活性在eCO₂下均显著降低，整体呈现随时间下降的趋势。

几丁质酶活性同样表现出差异响应。第2天时，细菌联合体在eCO₂下的几丁质酶活性低于aCO₂，但到实验结束时，联合体的酶活性在所有处理中最高。Acinetobacter sp.在eCO₂下的几丁质酶活性到实验结束时增至初始值的三倍。

实验2：eCO₂条件下Ggt-小麦-细菌联合实验

土壤化学分析表明，磷、有机质、钙、镁、铝、铝饱和度、有效阳离子交换量（ECEC）和盐基总量在各处理间保持稳定。eCO₂条件下土壤钾含量（172-199 mg kg^-1）低于aCO₂（246-371 mg kg^-1），土壤pH在eCO₂下略有升高（5.58-5.60 vs 5.46-5.48）。

生理参数方面，eCO₂显著提高了对照（T1）和Ggt接种（T2）处理的净光合速率，但Ggt+BBB处理（T4）在两种CO₂条件下光合速率相似。蒸腾速率在T1和T2中随eCO₂下降，气孔导度在T1和T4中随eCO₂降低。

病害严重度方面，Ggt单独接种（T2）表现出最高的根部感染率，aCO₂下约26%，eCO₂下约16%，显著高于对照和BBB单独处理。然而，Ggt+BBB联合处理未能在任一CO₂条件下显著降低根部病害严重度，且各处理在aCO₂与eCO₂之间无显著差异。

生物量方面，根部生物量在两种CO₂条件下无显著差异，而eCO₂显著提高了所有处理的地上部生物量，该效应与Ggt或生物防治细菌的存在无关。脂质过氧化方面，T4处理（Ggt+BBB）在eCO₂条件下根部TBARS水平显著高于aCO₂，而其他处理在两种CO₂条件下无显著差异。

宏条形码分析

根际微生物群落分析表明，CO₂浓度是决定群落结构的主导因素，解释了12%的方差，高于Ggt接种（6%）和BBB处理（4.9%）的贡献。PERMANOVA分析证实CO₂效应显著（R²=0.122，p=0.0001）。eCO₂条件下，RB41、WPS-2、Roseomonas、Klebsiella和Pseudonocardia等属丰度增加，而aCO₂则有利于Conexibacter、Massilia、Burkholderia、Caballeronia、Paraburkholderia和Dyella等属。

α多样性方面，eCO₂是唯一产生一致效应的因素。观测ASV丰富度从aCO₂的1831±109增至eCO₂的2034±60（增加11%），Faith系统发育多样性和Shannon指数也同步增加。Ggt接种和BBB处理均未显著改变α多样性。

共现网络分析显示，eCO₂网络具有更高的显著SparCC相关性密度，节点度和中心性分布在两种CO₂条件下存在差异。功能预测方面，FAPROTAX分析显示eCO₂下纤维素分解和反硝化相关功能类群预测相对丰度增加，几丁质分解位列第四重要功能组。PICRUSt2预测与FAPROTAX结果一致，显示eCO₂下有机质周转相关途径（纤维素分解、甲烷循环、异型乳酸发酵）预测丰度增加，而铁载体生物合成和细菌运动性相关功能预测丰度降低。

讨论与结论

研究揭示了eCO₂对小麦-Ggt-生物防治相互作用的复杂调控。体外实验中细菌联合体的强拮抗作用与植物实验中有限的抑制效果形成鲜明对比，反映出土壤环境的复杂性对生物防治剂效能的影响，包括与原生微生物群落的生态位竞争。16S rRNA扩增子测序缺乏菌株水平分辨率，无法确认接种菌株在未灭菌土壤中的定殖和持久性。

植物生理方面，eCO₂对小麦光合代谢的直接效应比病原菌的存在更具决定性。T4处理在eCO₂下根部TBARS水平升高表明，Ggt与细菌联合体共同存在时，根部的活性氧（ROS）产生与解毒平衡可能发生改变，但这一现象应被严格解释为寄主生理胁迫指标。

微生物组方面，eCO₂是根际群落结构的主导驱动因素，增加了微生物多样性并有利于胁迫适应型分类群和有机质周转相关代谢途径。研究结论指出，eCO₂以菌株和时间依赖方式改变细菌对Ggt的体外拮抗作用，BBB联合体在体外表现出潜力但在植物体内未显著减轻全蚀病，eCO₂通过重塑根际微生物组和改变寄主生理响应来影响这一病害系统的动态平衡。这些发现强调了在设计未来气候变化情景下的生物防治策略时，必须考虑CO₂浓度对微生物功能性状和植物-微生物互作的差异化影响。