一个跨王国的合成微生物群落通过调节微生物组并激活植物免疫系统来促进竹子生长并抑制土壤中的病原体

《Industrial Crops and Products》：A cross-kingdom synthetic community promotes bamboo growth and suppresses soilborne pathogens via microbiome modulation and plant immunity priming

本研究构建了由Trichoderma spirale RS05、Bacillus velezensis BD2231和Streptomyces mirabilis BD2233组成的合成微生物群落（SynCom），通过绝对定量（qPCR）确定最佳初始接种比例（3:2:1）。SynCom显著促进杂交竹生长，抑制Fusarium proliferatum致病菌，改善土壤理化性质及酶活性，并增强植物系统抗性。代谢组学分析表明SynCom诱导产生多种抗菌及抗氧化代谢物，调控植物-微生物互作网络，为竹类基腐病生物防控提供了新策略。

　　本研究围绕一种在长江流域广泛分布的杂交竹种——*Bambusa pervariabilis* × *Dendrocalamopsis grandis*（以下简称杂交竹）所面临的基腐病问题展开，该病由*Fusarium proliferatum*引起，对食用竹笋和造纸原料生产构成了严重威胁。为了解决这一问题，研究团队通过筛选和优化有益微生物的组合，构建了一个跨界的合成微生物群落（SynCom），旨在提升其生物防治效果。本研究的核心目标是确定SynCom中三种生物防治菌株（*Trichoderma spirale* RS05、*Bacillus velezensis* BD2231、*Streptomyces mirabilis* BD2233）的初始接种比例，以实现其在根际土壤中的稳定定殖，并进一步改善植物的生长状况和抗病能力。

### 研究背景与意义

植物病害一直是影响农业生产与生态平衡的重要因素，尤其是由土壤传播的病害，因其隐蔽性强、传播范围广，给作物产量和质量带来了巨大损失。传统上，化学农药和抗病育种是控制这类病害的主要手段，但它们在长期使用中可能引发环境问题，如土壤污染、病原菌耐药性增强等。因此，寻找一种更加环保、可持续的生物防治策略成为当前研究的热点。

生物防治微生物，如*Trichoderma*、*Bacillus*和*Streptomyces*，因其能够通过多种机制（如促进植物生长、增强植物抗病能力、抑制病原菌生长）在农业和林业中受到越来越多的关注。然而，这些单菌株的生物防治效果往往受到环境因素的限制，其在田间表现与温室条件下的结果存在较大差异。为了克服这一局限，研究者开始探索合成微生物群落的构建，即通过科学地组合具有互补功能的微生物，以增强其整体的稳定性、适应性和功能表现。

### SynCom的构建与优化

本研究首先通过绝对定量（qPCR）技术，对三种菌株的生长曲线和抗菌效果进行了系统分析。通过调整它们的初始接种比例，研究团队发现，当RS05: BD2231: BD2233的比值为3:2:1时，SynCom的总DNA拷贝数达到最大，且其抗菌率也显著提高。这一比例不仅优化了SynCom的生物量积累，还提升了其功能表现，使得整个群落能够在更复杂的环境中稳定定殖。

此外，通过根际灌溉实验，研究团队评估了SynCom对杂交竹生长的促进作用。结果显示，SynCom显著提升了植物的株高、根长、茎粗和鲜重。这一发现表明，SynCom不仅能有效抑制病原菌的侵袭，还能通过改善根际环境，促进植物健康生长。进一步的土壤理化性质和酶活性分析也显示，SynCom的引入显著提高了土壤中的有机质、可溶性氮、磷、钾含量，以及土壤中的多种酶活性，如脲酶、过氧化物酶、纤维素酶等，这些变化有助于提升土壤肥力和微生物多样性。

### SynCom对植物和根际环境的影响

SynCom的引入不仅改善了植物的生长状况，还显著提升了其防御能力。在植物根部，研究团队发现，SynCom显著提高了植物的内源激素水平，如生长素（IAA）、赤霉素（GA）和玉米素（ZT），同时增强了防御相关酶的活性，如过氧化物酶（POD）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）和过氧化氢酶（CAT）。这些变化表明，SynCom能够通过激活植物的系统抗性，提高其对病原菌的抵抗能力。

进一步的基因表达分析也显示，SynCom的引入显著增强了与抗病相关的基因表达水平，如PR-1和MYC2。这表明，SynCom不仅在生理层面促进了植物的生长和抗病能力，还在分子层面激活了植物的防御机制，使其具备更强的抗病潜能。

### SynCom对微生物群落多样性的影响

研究团队还通过高通量测序技术，分析了SynCom对根际微生物群落结构和功能的影响。结果表明，SynCom显著提升了根际土壤和根部微生物的多样性，尤其是在受病原菌侵袭的植物中。与对照组相比，SynCom处理下的微生物群落结构更加丰富，且一些有益微生物的相对丰度显著增加。例如，*Burkholderia*、*Pseudomonas*、*Agrobacterium*等有益菌群在SynCom处理后表现出更高的丰度，这表明SynCom能够通过营养调节和免疫激活，吸引更多的有益微生物，从而增强根际生态系统的稳定性。

此外，SynCom还通过调节抗生素抗性基因（ARGs）的丰度，降低了土壤和根部中与抗生素耐药性相关的基因表达。这一结果对于农业和林业的可持续发展具有重要意义，因为抗生素的滥用可能导致土壤中耐药菌株的扩散，进而威胁作物健康。通过SynCom的引入，不仅能够抑制病原菌的生长，还能减少土壤中耐药菌株的出现，从而降低农业生态系统中病原菌耐药性的风险。

### SynCom对代谢物多样性的影响

通过非靶向代谢组学分析，研究团队进一步揭示了SynCom对植物根部和根际土壤代谢物的影响。结果显示，SynCom能够显著改变植物的代谢物组成，包括一些与抗病相关的代谢物，如海藻糖-6-磷酸（T6P）和纤维三糖（cellotriose）。这些代谢物在植物与微生物的互作中发挥着重要作用，如T6P可以调节植物的生长和发育，而cellotriose则可能作为早期信号分子，激活植物的免疫反应，从而抑制病原菌的侵袭。

同时，SynCom还促进了多种与抗病相关的代谢物的合成，如生物碱、酚酸和甘油磷脂。这些代谢物不仅能够直接抑制病原菌的生长，还能通过调节植物的氧化还原状态，增强其抗逆性。例如，多巴胺作为一种防御调节物质，能够通过清除活性氧（ROS）和调节植物的生理过程，提升其对病原菌的抵抗能力。此外，某些代谢物如木犀草素（piceatannol）和对香豆酸（chlorogenic acid）也表现出较强的抗菌和抗炎活性，进一步增强了SynCom的生物防治效果。

### SynCom与环境因子的关联分析

为了进一步揭示SynCom在调控植物生长和抗病能力中的作用机制，研究团队还进行了环境因子、微生物群落和代谢物之间的关联分析。结果表明，SynCom与土壤中的某些关键理化性质（如可溶性磷、可溶性钾）以及微生物群落的多样性之间存在显著的正相关关系。这种关联不仅反映了SynCom在改善土壤质量方面的潜力，也揭示了其在调控微生物群落结构和功能中的关键作用。

此外，研究还发现，SynCom能够通过改变根际环境中的代谢物组成，影响微生物群落的结构。例如，某些代谢物如LPE（一种甘油磷脂）和木脂素（lignans）在SynCom处理后显著增加，这可能与它们对植物免疫系统的激活有关。这些代谢物不仅能够增强植物的抗病能力，还能通过改变微生物群落的结构，进一步提升根际生态系统的稳定性。

### SynCom在农业和林业中的应用前景

本研究的结果表明，SynCom作为一种新型的生物防治策略，具有广阔的应用前景。通过精确调控菌株的接种比例，SynCom能够在复杂的环境中保持稳定定殖，并有效提升植物的生长能力和抗病能力。这一方法不仅克服了传统单菌株接种的局限性，还为实现高效、可持续的病害管理提供了新的思路。

从生态和经济角度来看，SynCom的引入能够有效改善土壤环境，提升土壤肥力，同时增强植物的抗病能力，减少化学农药的使用。这不仅有助于保护生态环境，还能降低农业生产成本，提高农民的经济效益。此外，SynCom还能够通过促进有益微生物的定殖，提升根际微生物的多样性，进一步优化土壤微生物群落结构，从而增强土壤的自净能力和生态稳定性。

### 研究的创新点与价值

本研究的一个重要创新点在于，首次通过绝对定量方法确定了SynCom中三种菌株的最佳接种比例，并通过实验验证了这一比例在促进植物生长和抑制病原菌侵袭方面的有效性。这一方法不仅提高了SynCom的稳定性，还增强了其功能表现，使其在田间应用中具有更高的可行性。

此外，本研究还揭示了SynCom在调控植物生理和微生物群落方面的多重机制。一方面，SynCom通过促进植物内源激素的合成，增强了其生长潜力和抗逆能力；另一方面，它通过改善土壤环境和微生物群落结构，提升了土壤的肥力和微生物的多样性。这些发现不仅为生物防治提供了新的理论依据，也为实现可持续农业和林业发展提供了技术支持。

### 研究的局限性与未来方向

尽管本研究取得了显著成果，但仍存在一些局限性。例如，研究主要在温室条件下进行，尚未在实际田间环境中验证SynCom的长期稳定性和有效性。此外，SynCom的构建和应用需要进一步优化接种方法和环境适应性，以确保其在不同土壤类型和气候条件下的适用性。

未来的研究可以进一步探索SynCom在不同作物中的应用潜力，尤其是在面对多种病原菌侵袭时的协同效应。同时，可以通过更精细的基因调控和代谢物分析，揭示SynCom对植物防御机制的深层作用，从而开发更加高效的生物防治产品。此外，还可以结合田间试验，评估SynCom在实际农业生产中的表现，以推动其在更大范围内的应用。

综上所述，本研究通过构建和优化SynCom，为解决杂交竹基腐病问题提供了新的思路和方法。SynCom不仅能够有效抑制病原菌的生长，还能通过改善土壤环境和植物生理状态，提升作物的产量和质量。这一研究为生物防治技术的发展做出了重要贡献，也为实现农业的可持续发展提供了科学依据。