新斯科舍苹果再植病害复合体中的土壤微生物与植物寄生线虫群落研究

《Scientific Reports》：Exploring soil microbial and plant parasitic nematode communities involved in the apple replant disease complex in Nova Scotia

本研究针对加拿大新斯科舍地区苹果再植病害（ARD）的复杂病因，通过高通量测序技术系统分析了6个发病果园的土壤微生物群落。研究发现ARD主要由真菌（镰刀菌、柱孢菌）、卵菌（腐霉属）和植物寄生线虫（根腐线虫）等病原复合体引起，并首次明确了当地核心微生物组特征，为开发靶向性生物防治策略提供了重要理论依据。

　　

在苹果种植产业中，一个困扰果农多年的"魔咒"——苹果再植病害（Apple Replant Disease, ARD）正随着传统土壤熏蒸剂的禁用而重新肆虐。当果园更新换代时，新栽植的苹果树苗常常出现生长不良、根系坏死、产量下降等问题，犹如陷入"水土不服"的困境。在加拿大新斯科舍省这个重要的苹果产区，随着甲基溴和1,3-二氯丙烯等广谱土壤熏蒸剂的全面禁用，ARD已成为威胁果园可持续发展的重大挑战。

传统观点认为ARD是由多种病原微生物和线虫共同作用的复杂病害，但其具体病因在不同地区存在显著差异。为了解决这一难题，Shawkat Ali等人对6个ARD发病果园展开了系统研究，成果发表在《Scientific Reports》上。研究人员采用多组学方法，试图揭示新斯科舍地区ARD背后的微生物"黑手党"成员及其活动规律。

关键技术方法概述

研究团队采集6个ARD果园的土壤样本，通过Illumina MiSeq平台对细菌（16S rRNA V6-V8区）、真菌（ITS2）和卵菌（ITS区）进行扩增子测序，利用QIIME2进行生物信息学分析。同时采用湿筛-蔗糖离心法分离鉴定植物寄生线虫，并结合温室生物测定评估病害严重程度。

果园立地特性

研究涉及的六个果园土壤质地多为砂质至粗壤土，排水性能各异。通过温室生物测定发现，五个果园表现出严重的ARD症状（%R >100%），仅CAN果园为中度病害（%R=66.3%）。有趣的是，病害最严重的BER果园有着最长的苹果种植历史，而病害最轻的CAN果园种植年限最短。

真菌和细菌微生物组组成

测序分析显示，子囊菌门（Ascomycota）是真菌群落中的优势门（48%），其次为接合菌门（37%）和担子菌门（10%）。在纲水平上，被孢霉纲（Mortierellomycetes，37%）和粪壳菌纲（Sordariomycetes，29%）最为丰富。细菌群落中，变形菌门（Proteobacteria，38%）占据主导地位，其中α-变形菌纲（19%）和γ-变形菌纲（15%）丰度最高。

真菌和细菌微生物组在不同果园间的变异

尽管不同果园间的微生物群落结构存在显著差异（p<0.001），约55%的真菌变异和54%的细菌变异可由采样点解释，但群落α多样性在各果园间无显著差异。冗余分析表明，土壤参数如P₂O₅、K₂O、有机质和pH值以及病害严重程度对微生物群落有显著但微弱的影响。

核心真菌和细菌ASVs

研究鉴定出29个真菌和15个细菌核心ASV（扩增子序列变体），分别在所有样本中出现频率超过80%。Mortierella exigua是核心微生物组中最丰富的真菌ASV（9%），同时多个潜在植物病原菌/内生菌也被鉴定为核心成员，包括Fusarium oxysporum（4%）、Fusarium solani（1%）、Nectria ramulariae（0.5%）和Ilyonectria robusta（1%）。

卵菌群落组成

卵菌分析显示，Pythium attrantheridium（50%）、P. monospermum（12%）和P. ultimum（12%）是优势物种。地点因素是影响卵菌群落结构的强影响因素，解释了超过60%的群落变异。P. attrantheridium在所有六个地点均有分布，而P. monospermum和P. ultimum仅在特定地点过度代表。

线虫分析

从果园土壤中鉴定出六类植物寄生线虫，其中根腐线虫（Pratylenchus spp.）在所有六个地点均有发现，种群密度为12-33条/100 cm3土壤。匕首线虫（Xiphinema spp.）在五个地点发现，其中两个地点种群密度超过100条/100 cm3土壤。所有匕首线虫均符合X. americanum复合种的形态特征。

研究结论与意义

本研究通过综合微生物组分析揭示了新斯科舍地区ARD的复杂病因。研究证实ARD主要由生物因素驱动，而非土壤化学或物理性质。研究人员首次在该地区明确了Nectria ramulariae（同义名Cylindrocarpon ehrenbergii）和Ilyonectria robusta（柱孢菌样无性型）作为ARD的推定致病菌，并在卵菌群落中发现了高丰度的P. attrantheridium和P. irregulare。同时，植物寄生线虫Pratylenchus penetrans和Xiphinema americanum的种群密度均达到可能对苹果树造成经济损害的水平。

这项研究的创新之处在于全面描绘了ARD发病果园的微生物群落图谱，为开发针对性的病害管理策略提供了科学依据。随着广谱土壤熏蒸剂的禁用，这种基于微生物组学的精准病因分析对实现苹果产业的可持续发展具有重要意义。未来研究需要结合病原菌分离鉴定和功能宏基因组学方法，进一步验证这些潜在致病菌的致病性，并深入解析其在ARD发生发展中的具体作用机制。