近日，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)沈其榮院士團(tuán)隊(duì)熊武教授在Nature Communications期刊上發(fā)表了題為“Soil-dwelling Naegleria enhances plant performance by stimulating beneficial bacterial functions in the rhizosphere”的研究論文。該研究揭示了土壤原生動(dòng)物通過(guò)調(diào)控根際菌群生物膜形成和次級(jí)代謝產(chǎn)物合成來(lái)促進(jìn)植物健康生長(zhǎng)的微生態(tài)機(jī)制。

土壤微生物組對(duì)植物健康生長(zhǎng)至關(guān)重要，吞噬型原生生物（即：原生動(dòng)物）是土壤微食物網(wǎng)的重要組成部分，它們通過(guò)捕食作用調(diào)控并影響著微生物群落組成與功能，但土壤原生動(dòng)物如何與根際菌群互作影響植物健康生長(zhǎng)的機(jī)制還未充分闡明。

本研究選取了土壤中分離的兩種不同類(lèi)型原生動(dòng)物，貼壁捕食型（Surface-feeding）阿米巴Naegleria和懸浮捕食型（Suspension-feeding）鞭毛蟲(chóng)Cercomonas。研究發(fā)現(xiàn)這兩種類(lèi)型原生動(dòng)物都能直接高效捕食番茄青枯病原菌?；趯?shí)驗(yàn)室已構(gòu)建的根際簡(jiǎn)化菌群（SynCom），在土壤微宇宙實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)植物有益菌貝萊斯芽孢桿菌（Bacillus velezensis SQR9）絕對(duì)數(shù)量和相對(duì)豐度在短時(shí)間內(nèi)均顯著下降，但添加阿米巴Naegleria能顯著提升貝萊斯芽孢桿菌的數(shù)量和豐度，該結(jié)果表明原生動(dòng)物能提升外源接種植物有益菌在土壤的存活率，從而增強(qiáng)其應(yīng)用效果，在兩季盆栽試驗(yàn)中也得到了證實(shí)。另外，通過(guò)阿米巴Naegleria與簡(jiǎn)化菌群共培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)合轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析，發(fā)現(xiàn)阿米巴Naegleria能誘導(dǎo)簡(jiǎn)化菌群中貝萊斯芽孢桿菌生物膜形成基因和次級(jí)代謝產(chǎn)物合成基因表達(dá)上調(diào)（圖1）。為驗(yàn)證以上結(jié)論，通過(guò)構(gòu)建Bacillus velezensis SQR9生物膜形成相關(guān)基因突變體（ΔepsD和ΔtasA）以及次級(jí)代謝產(chǎn)物合成相關(guān)基因突變體（Δfen, Δsrf, Δdfn, Δbae和Δmln），繼續(xù)進(jìn)行阿米巴Naegleria與簡(jiǎn)化菌群微宇宙實(shí)驗(yàn)并測(cè)定不同貝萊斯芽孢桿菌突變體和野生型在簡(jiǎn)化菌群中的數(shù)量。在阿米巴Naegleria存在條件下，缺失了macrolactin H合成能力的貝萊斯芽孢桿菌（Δmln）在簡(jiǎn)化菌群中的豐度下降最明顯，該結(jié)果表明macrolactin H可能是貝萊斯芽孢桿菌逃避原生動(dòng)物捕食并在根際菌群中保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵代謝物（圖1）。

圖1 土壤原生動(dòng)物阿米巴Naegleria促進(jìn)根際簡(jiǎn)化菌群中芽孢桿菌生物膜形成和次級(jí)代謝產(chǎn)物合成基因表達(dá)

本研究系統(tǒng)性總結(jié)了土壤原生動(dòng)物與根際菌群互作促進(jìn)植物健康生長(zhǎng)的微生態(tài)機(jī)制（圖2），原生動(dòng)物阿米巴Naegleria四個(gè)主要的根際生態(tài)功能總結(jié)如下：①原生動(dòng)物直接捕食植物病原菌；②原生動(dòng)物通過(guò)選擇性捕食富集植物有益細(xì)菌；③原生動(dòng)物促進(jìn)根際菌群生物膜形成；④原生動(dòng)物促進(jìn)根際菌群次級(jí)代謝產(chǎn)物合成。

圖2 土壤原生動(dòng)物與根際菌群互作促進(jìn)植物健康生長(zhǎng)的微生態(tài)機(jī)制概念模型

本研究不僅拓展了對(duì)土壤原生動(dòng)物在根際菌群功能調(diào)控機(jī)制上的認(rèn)識(shí)，也為開(kāi)發(fā)基于原生動(dòng)物的綠色生物防控技術(shù)提供了新思路。通過(guò)應(yīng)用特定的原生動(dòng)物能提高植物有益菌在根際定殖能力與功能活性，從而增強(qiáng)根際抗病與促生能力。我們期望本研究結(jié)果能為農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展注入一份新的“原動(dòng)力”。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院博士研究生岳楊、徐志輝教授和碩士研究生王藝錦為論文共同第一作者，熊武教授為通訊作者，沈其榮院士為本研究提供了系統(tǒng)性指導(dǎo)，美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)Francisco Dini-Andreote副教授，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院博士研究生劉宸、孫碩、任翔宇、呂啟匯和劉景池等人也參與了本研究工作。

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