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陈剑平院士/微生物生态与土壤健康组联合小麦病毒研究组共同揭示小麦黄花叶病发生与土壤-作物连续体上微生物群落构建的关联机制

近日,Science of the Total Environment期刊在线发表了宁波大学植物病毒学研究所陈剑平院士、羊健研究员和葛体达研究员团队题为“Wheat yellow mosaic enhances bacterial deterministic processes in a plant-soil system”的研究论文。该研究在前期明确小麦黄花叶病发生条件下土壤-作物系统微生物群落特征的基础上,进一步解析了此种群落特征的产生和维持机制,揭示了作物-土壤系统微生物群落构建过程与作物健康的关联机制,为土传病毒病的微生物防治策略提供了理论基础和研究方向。

土壤-作物系统中有益微生物和病原微生物的此消彼长显著影响着作物健康,揭示土传病害发生条件下,微生物多样性产生和维持的群落构建机制可为调控微生物生态,构建抑病型根际环境提供理论基础。土传中国小麦花叶病毒(CWMV)通过其载体禾谷多黏菌侵染小麦根部表皮细胞进入小麦体内,进而引起小麦黄花叶病。研究团队前期通过野外田间观测、取样结合扩增子测序的研究手段,发现在小麦黄花叶病发生条件下,微生物群落结构变化显著,更多的潜在植物有益菌群和病原体在患病样本中富集(Wu et al.,Agriculture, Ecosystems & Environment,2021)。但是此种群落产生和维持的生态学机制并不清楚。

本研究通过微生物系统发育分析结合零模型,研究了小麦黄花叶病发生条件下,土壤(根际、非根际)和作物(根系、叶片)连续体上微生物群落群落构建过程及其驱动因素(图1)。结果表明,确定性过程主导细菌群落构建,随机性过程主导真菌群落构建。随着作物发病程度的增加,确定性过程在细菌群落构建中所占比例随之增加,群落生态位宽度降低,这主要是由于在发病条件下,细菌与真菌间的竞争加剧,土壤中养分含量增加所导致的。此外,研究发现小麦根际土壤环境及细菌群落构建过程可有效预测小麦黄花叶病发病程度。根际土壤中全氮、有机碳含量越高,细菌和真菌间的竞争越强,细菌群落构建更倾向于确定性过程时,发病程度更高。以上结果揭示了微生物群落构建过程与小麦黄花叶病发生的关联机制,并为未来定向调控土壤微生物生态环境以抵御病原体入侵,防控小麦黄花叶病发生提供了方向。

图1小麦黄花叶病发生条件下土壤-作物连续体上微生物群落构建机制概念图

宁波大学植物病毒学研究所微生物生态与土壤健康研究室博士后张昊青为本文第一作者,陈剑平院士和葛体达研究员为本文共同通讯作者。该研究得到了农业农村部小麦岗位科学家项目(CARS-03)和宁波大学王宽城幸福基金等项目的资助。

文章链接https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.151430

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