https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2022.972587/full

在玉米/蚕豆间作体系中，较高的细菌多样性和产铁载体细菌共同抑制尖孢镰刀菌

摘要

作物除了与邻近植物相互作用外，还受到病原菌和其他共生微生物的影响。众所周知，植物之间的相互作用可以解释作物间作超高产的现象，但微生物的作用，特别是邻近植物的微生物是如何影响作物产量并且抑制植物病原菌的研究较少。本研究通过田间采样和盆栽实验，研究了玉米/蚕豆间作体系中的微生物相互作用，重点探究了细菌对蚕豆病原真菌的影响。长期定位实验表明，与单作相比，玉米/蚕豆间作增加了作物产量，减少了30-84%的尖孢镰刀菌的基因拷贝数，并增加了细菌丰富度和香农多样性指数。与各自的单作相比，间作中的细菌网络节点数更多，更稳定。此外，整个细菌群落的变化与玉米根际产铁载体细菌的数量和蚕豆中病原菌丰度的差异变化一致。与蚕豆相比，玉米根际产铁载体细菌的数量多71%，非核糖体肽合成酶基因丰度高33%，尤其是绿脓杆菌螯铁蛋白合成基因较高。盆栽实验间作蚕豆中根际产铁载体细菌数量的增加和尖孢镰刀菌基因拷贝数的减少，进一步证明产铁载体细菌对病原菌的抑制作用。我们还筛选出四株高效拮抗F. oxysporum f. sp. fabae的细菌，分别是假单胞菌属的菌株B004和B021，芽孢杆菌属的菌株B005和B208。值得注意的是，B005不仅表现出较高的产铁载体能力，还是细菌网络中的关键节点。因此，我们认为间作通过增加细菌的多样性、网络复杂度和产铁载体细菌的数量，有利于抑制蚕豆病原菌——尖孢镰刀菌。总之这项研究对未来利用间套作预防土传病原菌和实现农业绿色发展具有重要的意义。

关键词：intercropping, soil-borne pathogen, microbial networks, siderophore-producing bacteria, bacterial community

实验流程图

长期定位实验田中取样，高通量和宏基因组测序，并分离筛选细菌，盆栽复现大田研究结果，最后将分离得到的高效菌株进行回接验证。

实验结果

间作提高作物产量，降低潜在病原菌丰度，并且该潜在病原菌丰度仅在施磷条件下与蚕豆产量呈负相关。

间作明显提高了细菌的多样性，改变了细菌群落结构。

盆栽实验发现：间作可以增加蚕豆根系生物量，降低根际病原菌丰度，增加根际产铁载体细菌丰度。此外大田实验中发现，玉米根际产铁载体细菌数量极其高于蚕豆，并且在作物根际中，玉米NRPS合成基因丰度明显高于蚕豆，而蚕豆次生代谢产物合成、转运和代谢功能基因丰度显著高于玉米。

筛选出的四株高效拮抗菌相对丰度与蚕豆不同部位的潜在病原菌丰度显著正相关，表明在土壤中这些拮抗菌可以与病原菌互作。

对筛选出的四株拮抗菌进行产铁载体能力和对尖孢镰刀菌蚕豆专化型的抑制检测，同时进行菌剂回接实验验证拮抗细菌对蚕豆的保护效果。

理论概念图

蚕豆间作时，可以通过提高细菌多样性，改变细菌群落结构，增强细菌网络复杂性来抵御病原菌的富集，同时玉米富集的产铁载体细菌和特异性的拮抗细菌也可以共同抵制病原真菌的生长发育，最终保护蚕豆植株避免病原菌的入侵，提高作物产量。

欢迎引用：

Xinzhan Sun†, Chaochun Zhang†, Shuikuan Bei , Guangzhou Wang, Stefan Geisen, Laurent Bedoussac et al. (2022). High bacterial diversity and siderophore-producing bacteria collectively suppress fusarium oxysporum in maize/faba bean intercropping. Frontiers in Microbiology 13:972587. doi: 10.3389/fmicb.2022.972587

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