大豆冠红腐病感染重塑根际微生物组：肠杆菌目富集与阳离子抗菌肽抗性的选择性

《Environmental Microbiome》：Single-cell genomics reveals opportunistic Enterobacterales carrying putative cationic antimicrobial peptide resistance genes in red crown rot-affected soybean rhizoplanes

　　

摘要

背景

大豆是全球重要的农业作物，其生产力受到土壤和根际相关生物相互作用的强烈影响，其中包括决定病害发生结果的相互作用。由土壤传播真菌Calonectria ilicicola引起的豆冠红腐病在世界各地造成了巨大的产量损失。虽然主要病原菌已被充分表征，但即使是同一块田地中，病害的发生率和严重程度也存在显著差异，这表明除主要病原菌之外的其他因素（包括根际细菌微生物组）可能影响病害的发生发展。然而，感染如何重塑这些细菌群落仍知之甚少。

结果

我们结合16S核糖体RNA基因测序、鸟枪法宏基因组学和菌株分辨的单细胞基因组学，对健康和患病植株的大豆根系相关土壤中的细菌群落进行了表征。扩增子测序显示，患病植株的根圈和尤其是根表微生物组在组成上与健康的植株存在显著差异，通常以肠杆菌目（Enterobacterales）的富集为标志。鸟枪法宏基因组学进一步揭示，患病的根表样本中富集了与抗生素抗性相关的基因，尤其是对阳离子抗菌肽的抗性。为了将这些群落水平的变化与特定的细菌谱系联系起来，我们应用了单细胞基因组学，恢复了七个非冗余的Enterobacterales基因组。与植物致病性相关的基因在这些基因组中广泛分布，而dlt基因——赋予对阳离子抗菌肽的推测抗性——仅检测于在患病的根表土壤中富集的Enterobacterales谱系中。

结论

我们的结果表明，大豆冠红腐病与根表微生物组的重塑以及特定Enterobacterales谱系的特异性富集相关，这些谱系携带有推测的阳离子抗菌肽抗性基因，尽管富集程度在不同植株间存在差异。携带dlt基因的谱系被选择性富集，而非仅由致病性相关基因定义的谱系被富集，这提示宿主防御相关的选择压力可能是塑造病害相关根系微生物组的关键驱动因素。更广泛地，本研究展示了菌株分辨的单细胞基因组学在揭示群体分析中难以发现的细菌特征方面的价值，并突显了其在阐明植物、病原体和根系微生物组之间复杂相互作用方面的潜力。