《Plants》：Pear Scab Disease Suppression by Pseudomonas capeferrum NFX1 Is Mediated by Direct Antagonism Against Venturia pyrina and Pear Defense Priming
Sara Tedesco,
Margarida Pimenta,
Filipa T. Silva,
Jo?o P. Baixinho,
Frédéric Bustos Gaspar,
Maria Teresa Barreto Crespo and
Francisco X. Nascimento
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本研究聚焦葡萄牙高价值罗恰梨产业的重要病害——梨黑星病，揭示了假单胞菌Capeferrum NFX1作为新型生防菌的潜力。文章通过基因组、表型和转录组学多维度分析，证实NFX1不仅通过产生putisolvin等代谢物直接拮抗病原菌梨黑星菌(Venturia pyrina)，还能重编程梨叶转录组，诱导系统抗性(ISR)。研究还建立了一套包括基于图像的病斑严重度量化与靶向V. pyrina ef1-α基因的qPCR检测在内的标准化实验室评估流程。这项工作为开发可持续的梨黑星病防控策略提供了关键的菌株资源和评估方法。
1. 引言
梨黑星病由子囊菌梨黑星菌(Venturia pyrina)引起，是全球梨树种植面临的一种重要经济病害，对葡萄牙具有原产地命名保护地位的罗恰梨产业构成了严重威胁。该病害可导致果园40-80%的产量和果实品质损失。传统的化学杀菌剂防治方法引发了环境可持续性、食品安全及病原菌抗药性产生等多重担忧，且欧盟绿色协议等法规框架也旨在2030年前将农药使用量减少50%。因此，开发更可持续的环境友好型病害控制策略迫在眉睫。生物防治剂(BCAs)作为一种有前景的替代方案应运而生。
在众多潜在的BCAs中，假单胞菌属(Pseudomonas)因其能通过产生抗生素、脂肽、铁载体竞争、裂解酶、挥发性化合物以及诱导植物系统抗性(ISR)等多种机制抑制多种真菌病原体而备受关注。本研究旨在对一株先前报道具有植物激素调节特性的假单胞菌菌株NFX1进行表征，评估其作为防治罗恰梨黑星病的生防菌潜力，并建立一套标准化的实验室评估流程。
2. 结果
2.1. NFX1菌株的基因组特征揭示其属于假单胞菌Capeferrum物种
菌株NFX1的基因组由一个5,986,175 bp的染色体组成，GC含量为62.9%。系统基因组学分析表明，NFX1基因组与假单胞菌Capeferrum模式菌株WCS358高度相似(平均核苷酸一致性ANI为97.79%；数字化DNA-DNA杂交dDDH为82.4%)，确认NFX1是P. capeferrum物种的一员。此外，分析还发现其他多个从不同地理和生境分离、已知具有真菌和细菌拮抗活性的假单胞菌菌株也属于P. capeferrum物种，这些菌株的基因组在大小和GC含量上均相似。
2.2. NFX1及其他假单胞菌Capeferrum菌株基因组中拮抗相关基因的普遍存在
次级代谢物生物合成基因簇分析显示，NFX1基因组中含有多个潜在拮抗相关基因簇，包括两个非核糖体肽(NRP)金属载体簇、一个非核糖体肽合成酶(NRPS)簇和一个高丝氨酸内酯簇。其中，NRPS簇与 Pseudomonas putida PCL1445中具有功能的putisolvin（一种环状脂肽）生物合成簇高度同源(98%)。putisolvin以其表面活性、生物膜干扰及抗真菌活性著称。此外，分析还发现编码群体感应基因(ppuI-rsaL-ppuR)和接触依赖性拮抗系统（IVB型分泌系统，由kib基因簇编码）的基因在P. capeferrum菌株中也普遍存在。
2.3. 假单胞菌Capeferrum NFX1对梨黑星菌表现出拮抗活性
通过平板对峙试验和孢子萌发试验评估了NFX1的抗真菌特性。平板试验显示，NFX1的存在使梨黑星菌的菌落密度显著降低了27.4%。孢子萌发试验进一步证实，NFX1处理能显著抑制梨黑星菌孢子的萌发和菌丝发育。在接种后24小时和96小时，所有测试浓度的NFX1菌悬液对孢子萌发的抑制效果，与最高测试剂量的化学杀菌剂Cerimonia?（有效成分：苯醚甲环唑）相当。
2.4. 假单胞菌Capeferrum NFX1的应用显著降低了离体叶片试验中的梨黑星病严重度
在罗恰梨离体叶片试验中，叶面施用NFX1显著降低了梨黑星病斑的形成。通过测量病斑区域的平均像素强度（数值越低表示病斑颜色越深，即越严重）来量化病害严重度。结果表明，NFX1处理使梨黑星病严重度降低了近52%，其抑制效果甚至优于推荐剂量的Cerimonia?杀菌剂。同时，NFX1处理未对未感染叶片造成可见伤害。
为量化叶片中的病原菌含量，研究开发了一种靶向梨黑星菌翻译延伸因子1α(ef1-α)基因的实时定量PCR(qPCR)方法。该方法的扩增效率为87.7%，线性良好(R2=0.999)。qPCR结果显示，与未处理的感染对照（约2000 pg真菌DNA）相比，NFX1处理的叶片中梨黑星菌DNA含量显著降低约4倍（约500 pg）。真菌DNA含量与基于像素强度的病害严重度之间存在显著正相关（皮尔逊相关系数0.63）。
2.5. 转录组学揭示假单胞菌Capeferrum NFX1在梨黑星菌感染下对罗恰梨叶片的影响
对NFX1处理和未处理的感染叶片进行转录组比较分析，共鉴定出717个差异表达基因(DEGs)。基因集富集分析(GSEA)显示，与未处理的感染叶片相比，NFX1处理叶片的基因表达谱呈现出“防御启动”状态。主要表现为光合作用、叶绿体相关及能量代谢过程相关的基因集显著正向富集；而苯丙烷类/木质素代谢、对内质网应激的反应以及对真菌的防御反应等基因集则被负向富集。
进一步分析发现，NFX1处理诱导了梨叶片激素信号和免疫防御响应的重编程。例如，乙烯信号通路成分（如多个ERF/AP2转录因子）被强烈诱导，而一些负调控因子被抑制。脱落酸感知增强，但下游效应基因表达降低。生长素运输和感知相关基因表达上调，而分解代谢调节基因被抑制。茉莉酸信号通路呈现复杂变化，TIFY抑制子上调，而茉莉酸生物合成关键酶基因被下调。同时，多个编码受体样激酶(RLKs)和抗性(R)蛋白的基因表达发生改变。
2.6. 假单胞菌Capeferrum NFX1诱导的梨叶片防御启动与激素重编程和免疫防御响应调控相关
综合转录组数据表明，NFX1诱导的转录激活核心在于激素重编程和免疫防御响应的调控。这种变化呈现出一种乙烯驱动、茉莉酸受限、生长素感知与运输增强的配置，符合生长-防御平衡的诱导系统抗性(ISR)特征。同时，WRKY、MYB等重要防御相关转录因子家族基因被广泛激活，而病程相关蛋白(PR proteins)基因则普遍被下调，表明NFX1处理在增强植物感知和转录调控能力的同时，限制了部分下游效应子的表达。
3. 讨论
本研究通过多组学联用，系统阐明了假单胞菌Capeferrum NFX1抑制梨黑星病的双重机制：一是通过产生putisolvin等次级代谢物直接拮抗梨黑星菌的生长和孢子萌发；二是通过重编程寄主转录组，诱导防御启动和系统抗性。基因组分析为NFX1的拮抗潜力提供了遗传基础，表型试验验证了其出色的防病效果，转录组学则揭示了其调控植物免疫的分子细节。
特别重要的是，本研究首次建立了一套针对梨黑星病菌生防评估的标准化实验室流程，包括基于图像分析的病斑严重度量化方法和特异性的梨黑星菌qPCR检测技术，为后续高效筛选和评估生防菌提供了可靠工具。
综上所述，假单胞菌Capeferrum NFX1展现出了作为防治梨黑星病可持续生物解决方案的巨大潜力。未来的研究需要在田间条件下进一步评估该菌株的定殖持久性、环境稳定性以及对寄主生长的影响，以推动其向实用化产品发展。
4. 材料与方法
本研究涉及的主要方法包括：菌株NFX1的基因组测序与生物信息学分析；梨黑星菌的培养与孢子悬浮液制备；体外平板对峙和孢子萌发抑制试验；罗恰梨离体叶片接种与病害严重度（基于病斑像素强度）评估；靶向梨黑星菌ef1-α基因的qPCR检测方法的建立与应用；以及不同处理下梨叶片的转录组测序与生物信息学分析（包括差异表达基因鉴定、基因功能注释和基因集富集分析）。所有数据分析均使用相应的生物信息学软件和统计方法（如Kruskal-Wallis检验、Fisher精确检验、Pearson相关分析等）完成。
