多样的根际有益菌群是如何更好地帮助植物抵御病害的？
胡洁，2013年毕业于南京农业大学资环学院，以直博生的身份于2013年9月正式加入到LorMe团队的，2016年3月被公派前往荷兰Utrecht University继续学习。以下是关于她应用多种根际有益微生物抵御土传病原菌入侵植物的研究进展，相关研究结果于2016年发表在mBio。
Hu J, Wei Z, Friman V-P, Gu S-H, Wang X-F, Eisenhauer N, Yang T-J, Ma J,Shen Q-R, Xu Y-C, Jousset A. 2016. Probiotic diversityenhances rhizosphere microbiome function and plant disease suppression. mBio7(6):e01790-16. doi:10.1128/mBio.01790-16.（IF=6.95）
春既是温暖，鸟语花香；春是生长，耕耘播种。漫步在野外的小道上，空气里弥漫着土地的芬芳，作为一名土壤微生物学的博士生，深深地知道那是土壤中放线菌的味道。土壤中的微生物，尤其是根际微生物，在植物生长过程中发挥着重要的作用，其中包括促进植物生长、保护植物健康。
图 1 刚翻耕的散发泥土芬芳的土地（胡洁）
自进入LorMe实验室以来，我们利用采集的大量番茄植株根际土筛选功能微生物。筛选出的有益菌在室内试验中具有促进植物生长、抵抗病原菌入侵的潜力，然而田间试验过程中有益菌在根际的存活能力差并且功能发挥不稳定。本研究受到生物多样性与生态系统功能之间关系的启发，希望能够运用生物多样性与生态系统功能之间的关系预测有益菌群的功能有效性。如何选择合适的有益菌进行组合是有益菌群应用于生产的重要屏障。
我们采用断棒模型将八株不同基因型的假单胞菌（Pseudomonas sp.）进行组合设计，获得了1、2、4和8四个不同丰富度的有益假单胞菌细菌群落，并通过温室试验研究了有益假单胞菌群落对植株生物量、养分积累和植物抗病原菌入侵的多样性效应（DiversityEffect）和个体效应（Identity Effect）。本文主要介绍多样化有益菌群在自然土壤环境中抑制病原菌生长、降低植株发病的机理研究。
自然土壤的环境中水分、pH、温度等因子不稳定。功能菌株被施用到土壤中开始“荒野求生”，植物将20%-30%的光合作用产物分泌到的根际，使根际成为微生物争夺资源的“战场”。为模拟细菌利用根系分泌物生长的情况，LorMe实验室配制了48种存在于番茄植株根际的单一碳源，并检测了细菌利用碳源生长的情况，根据细菌生长数据计算出用来表征细菌利用番茄根际碳源能力的参数资源利用幅度（Niche Breadth）和用来表征有益菌与病原菌资源竞争强度的参数资源利用重叠度（Niche Overlap）。室内结果表明，多样化有益菌群的资源利用幅度更广泛（图 1A），多样化有益菌群与病原菌的资源利用重叠度更高（图 1B），另外，有益菌群多样性增强了有益菌群对病原菌的直接抑制作用（图 1C）。
图 2 . 室内试验中多样化有益菌群的资源利用幅度更广泛、与病原菌资源利用重叠度更高，并且拮抗病原菌的能力更强。
为验证室内的实验结果，我们以番茄为宿主植物进行了为期50天的温室盆栽试验,以细菌病原菌Ralstoniasolanacearum，一种寄主广泛的细菌性枯萎病疾病的病原菌(Yabuuchi et al. 1995)为模式病原菌。我们记录了接种病原菌5天、15天、25天和35天后番茄植株的发病情况，有益菌群多样性降低了番茄植株在各个记录时间点的发病率（图 2A）。在整个温室试验过程中，所有添加单一细菌处理的番茄根际有益菌数量急剧下降，但是多样化的有益菌群能够始终保持相对较高的有益菌数量（图 2C）。这种多样性效应与有益菌群的资源利用幅度有关，资源利用幅度是决定微生物群落功能和抵抗入侵能力的主要因素(Salles et al. 2009;Mallon et al. 2015)。有益菌群具有广泛的资源利用幅度说明该菌群可以利用多种类的根系分泌物进而促进其在根际的定殖。同时，有益菌群的多样性降低了根际病原菌的数量（图2C），这一现象可以解释为与病原菌资源利用重叠度高的有益菌群能够更彻底地利用病原菌需要的养分资源，当病原菌入侵植物根际时，缺少足够的养分，不能大量的繁殖并入侵根际。另一个可能的原因是多样化有益菌群中微生物之间的相互交流更加密切，能够触发功能菌群中某些成员的基因开关，产生在低多样性条件下不产生的次生代谢物质。这些次生代谢产物往往具有毒害病原菌的作用，导致根际病原菌数量的减少（图 2B），进而降低了番茄植株的发病率（图 2A）。
图3 温室试验中，植株发病率与有益菌群多样性之间的关系，根际有益菌数量与有益菌群多样性之间的关系，根际病原菌数量与有益菌群多样性之间的关系。
综上所述，生物多样性-生态系统功能之间关系能够指导组合设计稳定增强微生物功能的高效有益菌群。更为关键的是，我们利用相对简单的资源竞争模型和体外拮抗病原菌分析能够准确地预测温室试验中有益菌的生存和对病原菌的抑制情况。我们提出三个简单组合有益菌群的指导方针：1）选择能够相互协作抑制病原菌的有益菌；2）选择具有多种抑制病原菌功能（资源竞争和干扰竞争）的有益菌；3）选择多样化的有益菌群以确保有益菌的生存和随后在根际生物防治的效率。我们希望这个基于一般生态机制的简单有益菌群组合策略能够更广泛得应用于微生物区系研究、入侵生物和生物技术等领域。