通讯作者：Alexandre Jousset
单位：Nanjing Agricultural University & Utrecht University, Institute for Environmental Biology
参与人：Zhong Wei; Tian-jie Yang; Qi-rong Shen et al.
Probiotic Diversity Enhances Rhizosphere Microbiome Function and Plant Disease Suppression
益生菌多样性增强了根际微生物组功能并抑制了植物病害
摘要
与植物根部相关的细菌群落在抑制土壤传播的病原体中起重要作用，多物种益生菌联合体可能会增强疾病抑制效果。在这里，我们将已定义的假单胞菌物种联合体引入到自然复杂的微生物群落中，并测量了假单胞菌群落多样性对其存活和抑制番茄根际微生物组中细菌性植物病原体青枯菌的重要性。引入的假单胞菌群的存活率随着多样性的增加而增加。此外，由于资源竞争加剧和对病原体的干扰，假单胞菌的高多样性降低了根际中的病原体密度，并降低了疾病发生率。这些结果提供了新颖的机制，以洞悉天然植物根际中各种益生菌联合对病原体的抑制作用。因此，基于生态的群落组装规则可以在工程上功能可靠的微生物组应用程序中发挥关键作用。
==功能多样性==
==重要性== 对粮食供应需求的增加要求对植物病害的更有效控制。益生菌的使用，即抑制病原体的天然存在的细菌拮抗剂和竞争者，最近重新成为一种有前途的农业化学替代方法。过去仍然不清楚我们应该选择多少株和哪些株来构建有效的益生菌联盟。本文基于社区功能的体外表征，提出了一个组装有效益生菌社区的一般生态框架。具体而言，增加益生菌的多样性会提高自然多样性的根际微生物组中的群落存活率，从而通过加剧的资源竞争和对病原体的干扰导致病原体抑制作用的增加。这些生态学准则可以在将来更广泛地应用于微生物组工程中。
介绍
==生物多样性-生态系统功能（BEF）==实验表明，物种多样性可提供与生产力，养分循环，分解速率，对环境变化的抵抗力以及对物种入侵的抵抗力有关的各种社区级利益（1，2）。这种关系无处不在，对于微生物而言，通过确保宿主相关微生物组的有效功能，在高等生物的健康中也起着重要的作用（3）。在植物与微生物的相互作用中，高细菌多样性与增加对病原体入侵和植物侵染的抵抗力有关，例如通过资源加剧竞争（4-6）。几项研究还表明，社区的组成和多样性会影响其他物种的入侵/殖民化成功（4-6）。在这里，我们研究了益生菌细菌群落表现背景下微生物多样性的潜在有益作用。我们假设多样性可能会影响复杂植物微生物组中引入的微生物群的建立，存活和功能，并可能影响群落诱导疾病抑制的能力。
==生物多样性的影响可以以不同的方式驱动引入的根际细菌群落的功能==。首先，高水平的物种丰富度可以增加物种可利用资源总数（niche breadth）。这可以改善在时空上变化的根际环境中的社区生存，并确保至少一种物种能够在普遍条件下生存。一般而言，广泛的社区利基宽度也有望增加资源的使用，这可以帮助细菌更好地定殖并在根际中持久存在。此外，广泛的利基宽度可能会加剧引入的细菌群落与潜在病原体之间的资源竞争，这可能导致==竞争性排斥病原体==，并在目前情况下提高对寄主植物的保护。
引入的根际细菌群落的生物多样性也可能影响与其他微生物的干扰竞争，包括居住的微生物群和病原体。例如，以前的研究表明，抑制病原体生长的次生代谢产物的产生可以随着接种的益生菌聚生体的密度和丰富性而增加。结果，多样化的细菌群落可以更有效地抑制入侵的病原体。同样，次生代谢产物可以帮助引入的微生物群落与本地微生物群竞争，从而提高其存活率。此外，由不同群落共同产生的不同细菌次生代谢产物的组合，如果针对不同的细胞功能，则可能对病原体产生更强的拮抗作用-类似于将多种抗生素混合以实现更高的病原体抑制作用的想法。不同细菌群落中细菌菌株之间的相互作用还可能涉及特定物种的反应，这些反应会触发复杂的分泌系统，从而导致诱导或上调抑制病原体生长的次级代谢物或信号分子。出人意料的是，尽管人们越来越关注使用微生物群落来保护植物，但几乎没有任何研究调查引入的益生菌群落的多样性和组成如何影响其功能。
在这里，我们使用互补的实验室和温室实验来研究引入的促进植物生长的假单胞菌物种群落的生物多样性机制和重要性，以抑制自然根际微生物组内的疾病。本研究使用了八种产生广谱抗生素2,4-二乙酰基间苯三酚（DAPG）的假单胞菌属菌株。如前所述，我们将假单胞菌群落分为四个丰富级别。我们选择假单胞菌细菌是因为它们具有良好的疾病抑制能力，并且在根际中广泛存在。我们首先使用简单的体外实验来量化假单胞菌群落菌株的丰富度与组成以及与资源竞争和拮抗作用有关的性状之间的关系。为了弥合实验室与现实世界之间的鸿沟，我们然后==评估了不同的假单胞菌群落在天然高度多样化的番茄植物根际（均质的天然土壤）中存活并抑制青枯雷尔氏菌细菌生长的能力==。病原体-全球细菌性枯萎病流行的病原体。我们发现，高生物多样性使引入的假单胞菌群落在整个实验过程中都能在根际中以高密度持续存在，从而导致病原体抑制作用显着增加，疾病发生率降低。这些模式与体外结果非常吻合：==假单胞菌群落多样性的增加增加了资源和干扰竞争的强度，从而导致病原体密度非常低。==总之，这些结果表明，BEF和竞争理论可以为工程上功能可靠的微生物组应用程序提供社区组装规则。
结论
BEF体外结果
Biodiversity-ecosystem functioning(BEF) relationships in vitro.
假单胞菌群落基因型丰富度的增加与群落生态位宽度，生态位与病原体的重叠以及体外病原体的直接抑制呈正相关(图1)。
BEF体内结果
BEF relationships in vivo.
随着假单胞菌群落丰富度的增加，疾病的发病率和病原体密度均显着下降（图2A和B以及表1）。==尽管所有假单胞菌单培养物均在一定程度上降低了疾病的发病率，但它们仅提供了针对细菌性枯萎病的部分保护==。 相比之下，8株群落提供了几乎完整的针对细菌青枯病的保护，而2株和4株群落则提供了中等水平的保护（图2A/B和表1）。假单胞菌群落丰富度对疾病抑制的影响随时间增加（图2B，显着的丰富度×时间相互作用，以及表1）：尽管社区丰富度在病原体入侵后的前15天对疾病抑制没有影响，但8株与第35天表现最佳的单培养相比，假单胞菌群落将病原体密度降低了99％（图2B和表1）。
将群落的体内表现与体外特征联系起来
Linking community performance in vivo to characteristics in vitro.
我们发现，根际中假单胞菌群落的存活随着其生态位宽度的增加而增加，而病原体密度与假单胞菌群落的抑制活性的增加呈负相关（表2）。根际中病原体入侵的成功还取决于假单胞菌群落的密度（表2）。我们使用结构方程模型（SEM）方法来进一步研究将假单胞菌群落组成与疾病抑制联系起来的不同机制的重要性的相对水平。最终模型很好地拟合了数据（均P> 0.05），并解释了实验第35天的病原体密度变化的72％和疾病发病率变化的37％（图3）。病原体密度随着对病原体的体外拮抗活性，假单胞菌群落较高的菌株丰富性和更宽的利基宽度而降低。因此，随着假单胞菌群落的丰富性增加，疾病发病率降低。
