根结线虫侵染的番茄根内生细菌菌群的组成、结构及其功能特性的宏基因组学研究

Plant-parasitic nematodes are recognized as one of the most damaging plant pathogens worldwide. Developing successful biocontrol agents of plant-parasitic nematode in practice requires an intensively understanding for the interactions among nematode, microbe and plant in the field. In this study, Community composition, structure and diversity of plant-associated microbiome, including rhizobacteria and endophytes in tomato roots will be first investigated by using the 16S rRNA gene-based community analysis, to reveal the mechanism shaping root microbiome. Then sequence-based metagenomic analysis, combining with the reference genomics of the representative endophyte of the root microbiome will be used to explore a functional insight for the different bacterial groups of endophytes and their roles in promoting plant growth and health. Functional identification for the putative genes will be implemented using gene-deficiency strains, diagnostic PCR and quantitive PCR or endophyte metaproteomics etc. On this basis, variation and differentiation from the microbial community analysis, comparative metaproteomic and in vitro-based functional analysis of root microbiome in healthy and nematode-infected tomatoes will be led to identify the key bacterial taxon and gene involved in nematode infection, and a intensively understanding of nematode pathogenesis in plant. Systemically and intensively investigating microbial structure and functional attribute of root microbiome, and the interaction among the endophyte-plant-nematode will help us to improve biocontrol of plant-parasitic nematodes, explore new nematophagous microorganisms and develop new nematode biocontrol strategy in the near future.

植物寄生线虫病被认为是世界范围内普遍发生的最严重植物病害之一。成功的线虫生防制剂的发展基于我们对环境中微生物-线虫-植物相互作用的深入认识。本项目拟以番茄为材料，通过分析番茄根际和根内生细菌群体结构组成、多样性和变化规律，揭示植物内生菌菌群结构形成机制及其影响因素。同时，通过根际和根内生菌宏基因组、代表性微生物参考基因组测序和分析，并结合体外实验、分子生物学以及蛋白质组学等手段揭示番茄根内生菌不同种群主要功能及其在植物生长和发育中的作用。在此基础上，研究植物寄生线虫侵染对植物内生微生物菌群结构组成以及功能的影响，揭示影响线虫侵染的关键基因和种群以及内生菌在线虫侵染植物宿主中的作用，并结合体外和盆栽实验决定影响线虫侵染的关键基因和种群，探索在理解植物内生菌种群结构和功能，微生物-植物-线虫及其环境相互作用基础上，改善生防制剂的生防效果，挖掘新的线虫生防资源以及发展新的线虫生防策略的可行性。

植物寄生线虫病被认为是世界范围内普遍发生的最严重植物病害之一。成功的线虫生防制剂是基于对植病害发生机理及微生物-线虫-植物宿主之间复杂相互作用的认识。番茄根微生物组维持了一个主要由变形菌门、放线菌门、拟杆菌门、厚壁菌门和酸杆菌门等组成的稳定核心菌群。栽培品种和土壤影响了番茄根际和根内生菌群体结构组成和多样性，其中土壤类型对番茄根际细菌和根内生细菌菌群结构和多样性影响更为显著。CCA分析表明土壤中有机质、磷和钾成分是影响番茄根微生物组装配的主要环境因素。随机过程在番茄生长周期的细菌群落组装过程中占主导地位，不同时期番茄根际细菌的组成相对比较稳定；与此相反，内生细菌在番茄根内的定殖和形成是一个逐渐建立和稳定的过程，多样性和丰富度总体呈现出一种逐渐降低的趋势。总的来说，不同的细菌菌群在植物根际和内生环境下展现了差异的功能特性，通过活性筛选得到丰富的具有促生长、产酶、产IAA、抑菌以及固氮能力的内生菌菌株。根结线虫侵染对番茄根内生菌菌群结构、多样性与功能组成具有显著影响。随机过程在根结线虫侵染的番茄根系微生物系统中仍发挥主要作用，然而确定性过程概率较健康微生物大。与健康番茄相比较，在根结中显著性富集的伯克氏菌目以及根瘤菌目菌群富集了较为丰富的与芳香族化合物代谢以及氮代谢等功能相关的功能基因。宏蛋白质组学和对固氮酶基因的qPCR定量分析均表明了固氮酶及其基因在线虫侵染后期的根结中高度富集。基于对线虫生防菌盆栽实验的菌群分析则进一步证明了固氮菌群可能参与了根结线虫侵染和根结线虫病的发生过程，而生防菌株可以通过减少固氮菌群降低或抑制根结线虫侵染的发生以及根结的形成。本项目解析了植物根微生物组菌群结构组成、形成机制及其功能特性，阐释了根结线虫侵染过程中菌群组成变化规律和根结线虫病发生机理，将为植物益生菌在农业实践中的应用，改善线虫生防制剂的生防效果以及发展新的线虫生防策略奠定基础。