Plant Physiol | 郑州烟草研究院揭示烟草宿主遗传变异驱动根际微生物的组装

烟草是全球重要的经济作物，其产量和品质直接关乎农业经济效益。然而，由尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）引起的烟草根腐病是威胁烟草产业的重大土传病害之一。该病原菌寄主范围广、遗传多样性高，且能以厚垣孢子在土壤中长期存活，导致防治难度极大。根际微生物组被认为是植物抵御土传病原菌的关键防线。然而，烟草宿主遗传变异如何通过代谢途径精准招募具有抗病功能的微生物，仍是一个亟待阐明的关键科学问题。

近日，郑州烟草研究院曹培健/金静静团队在Plant Physiology在线发表了题为“Host Genetic Variation Is Associated with Root-Associated Microbiome Assembly and Resistance toFusariumoxysporumin Tobacco”的研究论文。该研究通过整合全基因组重测序、根际微生物组、代谢组与转录组等多组学技术，首次在烟草中系统揭示了宿主遗传变异如何通过次生代谢物影响根际有益微生物，并增强对土传病原菌尖孢镰刀菌抗性的内在关联，研究结果为烟草抗病育种与微生物组辅助绿色防控提供了新思路。

该研究以50份遗传背景多样的栽培烟草品种（涵盖烤烟、白肋烟、香料烟、雪茄烟等主要类型）为材料，构建了包含157,820个SNP的高质量群体遗传变异图谱，并对根际四个生态位的1,600份样本开展细菌16S与真菌ITS扩增子测序，结合广靶代谢组与转录组分析，系统开展了微生物全基因组关联分析（MGWAS）分析。

研究发现，宿主基因型对根际微生物组的多样性与组成具有显著影响，其解释了根际细菌群落38.45%和根表真菌群落37.84%的变异。遗传力分析表明，细菌群落的遗传力整体高于真菌，且“根—土界面”（根际、根表）微生物的遗传效应显著强于根内生环境。Gemmatimonadaceae、Micrococcaceae、Xanthomonadaceae、Sphingomonadaceae等功能微生物类群表现出较高遗传力，并与色氨酸代谢、脯氨酸代谢、S-腺苷甲硫氨酸循环等植物生长与抗逆相关通路显著正相关。通过MGWAS，研究团队在细菌与真菌中分别鉴定到844个和316个显著关联位点。其中，位于3、10、16、22、24号染色体的5个细菌关联位点显著富集在生物碱、黄酮、多胺、二萜等抗病相关次生代谢通路中。关键候选基因包括O-甲基转移酶（ROMT）、鸟氨酸脱羧酶（ODC）、细胞色素P450家族成员CYP76B6/CYP76B10等。尤其值得注意的是，研究结果揭示了一条清晰的“基因型—代谢物—微生物”调控链条：loci_709位点对假单胞菌科（Pseudomonadaceae）丰度的遗传效应，约有37%通过二萜富集代谢模块MEtan介导。这一发现强有力地提示，萜类次生代谢物在宿主定向招募特定抗病微生物过程中发挥着关键的介导作用。

为验证关键微生物的功能，研究团队进一步开展了高通量微生物分离与验证试验。从根际样品中共分离获得546株细菌和72株真菌，针对其中关联的抗性菌株，最终筛选出5株对尖孢镰刀菌具有显著拮抗活性的菌株，包括3株芽孢杆菌、1株多粘类芽孢杆菌和1株铜绿假单胞菌（FZ1），其中FZ1的拮抗活性最强。温室盆栽试验结果显示，接种FZ1等拮抗菌株可显著减轻烟草病害症状并促进植株生长。机制研究深入揭示，FZ1（基因组约6.28 Mb）编码吩嗪、多种铁载体及16个次级代谢生物合成基因簇。转录组分析表明，FZ1共接种可有效逆转尖孢镰刀菌对几丁质识别、活性氧（ROS）信号、蛋白激酶活性等防御通路的抑制作用，并强力激活萜类、含硫化合物、植物防御素等防御代谢通路。根际群落分析进一步证实，FZ1定殖后能显著降低尖孢镰刀菌的相对丰度，并增强微生物共现网络的稳定性。

综上，该研究首次在烟草中系统构建了“宿主遗传变异—次生代谢物—根际微生物组—抗病性”的调控框架。通过整合微生物全基因组关联分析和功能验证，本研究深入阐释了宿主如何通过萜类等次生代谢物精准招募抗病微生物。这一成果不仅为深入理解烟草根际微生物组的装配遗传基础提供了精细视角，也为未来通过微生物组辅助育种和“宿主引导的微生物组工程”定向改良作物抗病性、开发绿色生防资源提供了重要的基因靶点和微生物菌种资源。

宿主遗传变异—次生代谢物—根际微生物组—抗病性模型图

郑州烟草研究院2022级研究生苏欢（现为安徽中烟技术中心员工）为该论文的共同第一作者，郑州烟草研究院金静静研究员与曹培健研究员为论文的共同通讯作者。该研究得到了中国烟草总公司首席科学家创新专项项目、河南省自然科学基金、中国烟草总公司重大专项及北京生命科技研究院自立项目等的资助和支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiag727