作者：王震，南京農業大學碩士在讀，研究資源調控根際微生物互作。
一、導讀
植物根系分泌物是根際細菌重要的營養來源，尤其一些小分子物質在調控土壤微生物群落結構中起著至關重要的作用，這些物質還影響著土壤微生物群落功能。本實驗室前期研究發現，番茄青枯菌的入侵導致番茄根系分泌物中酚類物質的增加，進而導致了根際微生物多樣性降低。目前已有大量關於某些特定根系分泌物對根際微生物調控作用的研究，但對於根系分泌物中某一類型物質對根際微生物群落結構的影響尚不得知，對於土傳病原菌的影響還有待研究。
因此，作者通過利用不同類型的資源及其組合模擬根系分泌物，探究資源類型對番茄根際微生物群落的影響以及對土傳病害的影響，以期通過改變根系分泌物組成定向調控根際微生物群落功能。
二、主要研究結果
01.不同類型資源預測土壤細菌群落豐度、多樣性和組成
為了研究根系分泌物對土壤細菌群落影響，作者以化學純品模擬根系分泌物組成（有機酸、糖類、胺基酸、酚酸），連續六周在種植番茄的盆栽中添加不同類型的資源。結果表明，大多數資源對總細菌豐度和群落多樣性有較大的影響。與對照相比，添加16種資源組合、有機酸處理和胺基酸處理增加了土壤細菌豐度，但降低了土壤細菌群落的多樣性(圖1A和B)。糖類和酚酸對土壤細菌群落的豐度和多樣性無明顯影響。48種資源中有36種增加了土壤總細菌豐度，包括所有有機酸和胺基酸。5種糖和5種酚酸降低了土壤總細菌豐度；48種資源中的6種增加了土壤細菌群落多樣性，而其他資源降低了土壤細菌群落多樣性。PCoA分析表明，與對照相比，胺基酸和16種複合資源對土壤細菌群落的影響相似且相對最強，有機酸次之。相比之下，酚酸和糖類對土壤細菌群落組成的影響較小（圖1C）。
圖1 A:單一類型資源和16種資源組合對土壤細菌豐度影響；單一類型資源和16種資源組合對細菌群落多樣性影響；C:單一類型資源和16種資源組合對細菌群落組成的影響
總體而言，48種資源及組合主要影響變形桿菌、擬桿菌和放線菌的相對豐度(圖2)，每類型資源與特定的細菌物種具有正相關或負相關。如16種資源組合與變形菌門、厚壁菌門相關性最高(83.3%)，酚酸與放線菌門相關性最高(48%)，胺基酸、有機酸與擬桿菌門(55.6%)的比例較高。
02.添加資源對病原菌的影響
接著，作者探究了根系分泌物對根際青枯菌數量、發病率的影響。與對照相比，不同處理對病原菌數量影響不同，主要是由特定資源而非資源種類驅動的(圖3A)。具體而言，4種糖類、2種胺基酸和1種酚酸明顯降低了病原菌數量，其餘37種資源增加了青枯菌數量。發病率與土壤細菌多樣性有很強的負相關性，表明添加的資源只是對土壤細菌起到刺激或抑制作用，而非特異性地影響病原菌入侵。此外，與其他處理相比，胺基酸和16種資源組合青枯病的發病率顯著增加(圖3B)。5種糖、4種有機酸和3種酚酸在內的12種根系分泌物顯著降低了青枯病的發病率。
圖3 A：單一類型資源、16種資源的混合物對病原菌豐度的影響；B：單一類型資源、16種資源的混合物對青枯病發病率的影響；C:細菌總量與青枯病發病率相關性
03.氮投入量是決定土壤細菌群落多樣性和功能的關鍵因素
由於胺基酸是唯一的含氮資源且對微生物群落和番茄發病影響最大，所以作者分析了氮投入量對土壤細菌群落多樣性和功能的影響。作者發現氮投入量與土壤細菌總豐度呈正相關(圖4A)，與土壤細菌群落多樣性呈負相關(圖4B)。氮投入量與青枯菌數量不存在顯著相關性(圖4C)，但與發病率呈正相關(圖4D)。
圖4 A:氮含量與細菌總豐度的相關性；B:氮含量與細菌群落多樣性相關性; C:氮含量與病原菌豐度相關性；D:氮含量與青枯病發病率的影響
04.細菌群落組成的變化可以幫助植物抵禦青枯病
根據資源類別和氮投入量，作者構建了兩個結構方程模型（圖5）。作者發現有機酸和胺基酸處理雖提高了土壤細菌豐度，但降低了細菌群落多樣性，胺基酸與發病率呈正相關(圖5A)。此外，氮含量與土壤細菌群落多樣性呈負相關，與土壤細菌豐度呈正相關，土壤中的高含量氮與青枯病發病率存在正相關關係(圖5B)，表明氮投入量越大，青枯病發病率越高。
圖5 資源類型（A）、氮含量（B）與細菌群落、病害抑制相關性結構方程模型
三、總結
綜上，本研究發現來源於植物分泌的資源可以對土壤微生物的結構和功能產生深遠的影響，胺基酸和有機酸對土壤細菌群落組成的影響大於糖和酚酸，特別是氮含量較高的資源可以降低微生物抵抗病原菌入侵的能力，增加土傳病害的發生概率。本研究對施肥、作物種植以及耕作管理有一定的指導意義，可以考慮施用含氮較少的肥料來減少植物病害，或培育分泌特定類型根系分泌物的作物品種來增強其抗病能力，也可通過間套作調控土壤中根系分泌物組分，進而提高土壤的整體抑病能力。因此，本研究為調控土壤養分、資源類型來防控土傳病害提供了新策略。
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