新年第一枪!Nature子刊:新技术揭示根际免疫制约病原菌的过程与微生态机制

       2024年1月2号凌恩生物客户沈其荣院士团队LorMe实验室与西南大学张勇教授（资源环境学院/长江经济带绿色农业发展研究中心）合作的最新研究成果《Effects of plant tissue permeability on invasion and population bottlenecks of a phytopathogen》在《Nature Communications》（IF=16.6）在线发表，并且作者受邀请撰写Behind the Paper。

       通过创新等位基因标记技术，该研究成功地揭示了微生物种群变化的动态特征，这一技术突破了根际入侵过程中精确追踪病原菌种群演替的瓶颈问题。此外，这项研究深入解析了根际免疫系统对土传病原菌入侵过程的制约机制以及微生态结构，为未来土传病原菌的生态阻控提供了理论依据和技术支持。

01、研究背景

        病原菌是对土壤健康和粮食安全构成威胁的典型生物污染因素。在生产过程中，通常采用土壤熏蒸、农药抗生素和抗性品种等方法来防控土传病原菌。然而，如今病原菌的多样性和生态进化研究已成为土壤生物健康领域的热点问题。但研究病原菌的种群演替规律是一个难点。有些研究尝试利用荧光基因和抗性标记等分子手段来评估病原菌种群数量，但这些方法增加了被标记细胞的代谢负担，并存在稳定性差、通量低等问题。在复杂的土壤-植物系统环境下实时追踪病原菌的动态仍然具有挑战性。因此，发展高通量、精准的追踪技术是至关重要的，这将有助于更好地描绘病原菌种群的动态变化，并有利于制定和优化土传病原菌的生态防控策略，这对于培育健康的土壤生物具有重要意义。

图1 在植物病原菌入侵过程中发生的过程的概念框架

02、主要内容

       LorMe实验室联合西南大学资源环境学院张勇教授课题组建立了一种高通量基因组等位基因标记技术，以土传植物病原细菌青枯菌为研究对象。该技术在青枯菌染色体的非编码区插入随机的DNA片段，并人工构建等位基因标记的青枯菌复合群体。通过扩增子测序检测DNA片段的丰度变化，并采用群体遗传学算法对根际免疫进行定量，利用生态模型研究了青枯菌种群的动态变化。

       为了评估根际免疫强度对病原菌入侵过程的影响，本研究采用抗性和易感两种番茄品种作为实验材料，通过灌根接种、伤根接种和注射接种三种方法，模拟根际免疫强度梯度变化。研究分析了根际入侵前后，标记青枯菌种群结构、组成和多样性的变化规律。结果表明，随着根际免疫强度的增加，选择压力增大，导致成功入侵植物体内的青枯菌种类和多样性减少。植物根系的渗透性影响了青枯菌种群瓶颈程度、遗传多样性和种群组成。根系物理结构和免疫能力的完整性被认为是阻控青枯菌入侵的关键。当感染屏障渗透性较差时，选择是构建病原体种群的主要驱动因素，即完整的根系，根系的物理和免疫屏障的去除导致种群聚集的随机性优势。这项研究揭示了根际免疫对土传病菌入侵过程和微生态机制的制约作用，为土传病原菌的生态阻控提供了理论和技术支持。

图2 实验方案和设计

图3 植物根系渗透性对青枯菌种群瓶颈的影响

图4 植物根系渗透性影响青枯菌的遗传多样性、细胞系组成及其与种群瓶颈的相关性

图5 植物根系渗透性对青枯菌群体聚集生态过程的影响

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论文原文

Effects of plant tissue permeability on invasion and population bottlenecks of a phytopathogen. Nature Communications, 2024, 15, 62. https://doi.org/10.1038/s41467-023-44234-7