植物提供了多种微生物栖息和繁殖的生境。定居于植物上的微生物，统称为“植物微生物组（Plant microbiome）”。新兴概念“植物全生态系统 (plant holobiont)”将宿主植物和相关微生物视为一个功能单元，微生物被认为是扩展植物功能的辅助基因组。微生物对植物的生长和健康至关重要，了解植物微生物组装的机制对于生态学研究和农业应用具有重要意义。中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室郝立凯研究员带领的地球微生物课题组，与中国科学院城市环境研究所、中国科学院微生物研究所和扬州大学等合作者密切合作，选择贵州喀斯特地区的重要经济作物烟草，系统地研究了烟草微生物组及其相关的环境微生物组功能与特征。
图 1 (a) PCoA 图表明烟草微生物组主要受隔室生态位的影响。（b）每个隔室中烟草微生物组的α多样性以不同不同q顺序的希尔数表示。 (c) 计算根和叶区室中烟草微生物组的修正标准化随机率。（d）使用内聚指数评估微生物共现网络的复杂性。 (e) 呈现了每个隔室内构建的微生物共现网络的可视化。
研究团队通过对三种具有亲缘关系的烟草根部和叶部的内生和外生区域进行扩增子和宏基因组深度测序，全面系统的揭示了植物外部和内部微生物群落之间的分类和功能差异，为植物微生物的生态组装规律提供了线索。研究结果发现，从植物表面到植物内部，细菌的多样性和网络复杂度都在降低，确定性过程在内生菌群的组装中发挥着主导作用，体现了植物宿主强烈的选择性压力。值得注意的是，放线菌和alpha变形菌在根内环境中得到了富集，分析还发现了了富集的功能KEGG通路包括抗生素合成、植物细胞壁降解酶、铁代谢和尼古丁降解等。对分箱获得的基因组bin进行生物合成基因簇的预测，发现放线菌和alpha变形菌拥有更多样化的次生代谢产物。相关成果以为Taxonomic and Functional Assembly Cues Enriching Endophytic Tobacco Microbiota across Epiphytic Compartments题，发表在近期mSphere上（详细情况请参见附录）。
图2 对具有对比抗病水平的两个品种之间的烟草微生物组进行比较研究。
绿色代表抗病品种GZ36，红色代表感病品种HD。 与抗病品种 GZ36 和易感品种 HD 相关的根和叶微生物组的 (A) α 多样性和 (B) β 多样性。 (A) 中的星号表示统计显着性。 (B) 中的不同符号代表植物隔室。
由于植物疾病每年都会造成巨大损失，是农业的重大威胁。烟草的主要病害包括由罗尔斯通氏菌属（Ralstonia solanacearum）引起的细菌性枯萎病和由疫霉属（Phytophthora nicotianae）引起的黑胫病。课题选择了贵州常见的对这两种病害易感和具有高度抗性的烟草品种，进行了微生物组全面的比较研究。结果发现高抗品种GZ36和易感品种HD组装了不同的细菌微生物群落。抗性品种表现出更高的微生物网络复杂性，以及更高的多样性。在抗病烟草品种中富集了益生菌Pseudomonas，Ensifer和Sphingopyxis，而易感的烟草品种富集了更多的和青枯病致病菌同属的Ralstonia。在抗性品种的根际微生物群落中富集了更多编码生物防控功能的基因。此外，在抗病品种中富集的假单胞菌属（Pseudomonas）基因组中发现了编码次生代谢产物非核糖体肽合成酶的基因簇，该基因簇可以产生抗微生物活性的Brabantamide A。这种富集的假单胞菌属可能对宿主植物的疾病抗性做出了贡献。相关成果以Distinct microbiota assembly and functional patterns in disease-resistant and susceptible varieties of tobacco为题，发表在近期Frontiers in Microbiology上（详细情况请参见附录）。
上述工作由中国科学院地球化学研究所与中国科学院城市环境研究所、中国科学院微生物研究所和扬州大学等单位密切合作完成。研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国科学院启动经费和战略性先导科技专项（B类）、贵州省科学技术厅等的资助支持。
论文信息1：Luhua Yang, Yuan Guo, Hui Yang, Shun Li, Yunzeng Zhang, Likai Hao* (2024). Taxonomic and Functional Assembly Cues Enriching Endophytic Tobacco Microbiota across Epiphytic Compartments. mSphere 9 (1), e00607-00623.
https://doi.org/10.1128/msphere.00607-23
论文信息2：Luhua Yang, Yuan Guo, Hui Yang, Shun Li, Yunzeng Zhang, Cheng Gao, Likai Hao* (2024). Distinct Microbiota Assembly and Functional Patterns in Disease-resistant and Susceptible Varieties of Tobacco. Frontiers in Microbiology. Volume 15, 1361883.
https://doi.org/10.3389/fmicb.2024.1361883
（郝立凯 课题组 供稿）