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近日，东北农业大学周新刚研究员和南京农业大学韦中教授等在解析植物间互作机理方面取得新进展，成果以《Common mycorrhizal networks facilitate plant disease resistance by altering rhizosphere microbiome assembly》为题发表于Cell Host & Microbe。该研究通过双室根箱系统、16S rDNA扩增子测序、根际菌群移植实验、转录组测序、HPLC-MS分析和同位素标记法等，发现了菌根网络（CMNs）通过传递防御信号茉莉酸（JA）影响番茄根系分泌物组分，从而促进了根系对有益微生物的招募。该研究解析了CMNs介导的植物间互作塑造根际微生物组装配的机制，也为预测和调控植物与根际微生物组的良性互作提供了新视角。

导读

丛枝菌根真菌能够将不同植物根系相连接形成CMNs，并能够作为植物间信息交流的渠道。例如，CMN可以将被病原菌侵染的植物（供体植物）产生的抗性信号传递给邻近的健康植物（受体植物），使受体植物产生防御反应。然而，CMNs介导的植物间互作机制还不清楚。本研究解析了CMNs介导的植物间互作对根际微生物组的影响及机理。

主要结果

1、CMN介导的植物间交流增强了受体植物的灰霉病抗性

我们使用根箱系统首先确定了邻近植物之间可以形成菌根网络（CMNs）（图1A）。接下来发现，与未连接到被B.cinerea侵染的供体、连接或未连接到未被B.cinerea侵染的供体的受体植株相比，通过CMN连接到被B.cinerea侵染的供体的受体植株具有更强的抗性（图1B）。

2、根际微生物组在受体植株灰霉病抗性提高中的作用

与未连接到被B.cinerea侵染的供体相比，连接到被B.cinerea侵染供体的受体植株的抗性增强（图1B）。但是，与根际不存在非菌根微生物相比，在根际存在非菌根微生物时受体植株抗性更强。

我们通过根际菌群移植试验进一步证实了根际微生物群落在受体植株灰霉病抗性提高中的作用。结果表明，B.cinerea侵染改变的根际微生物可以提高番茄植株的灰霉病抗性（图1C）。同时，通过CMN连接到被侵染供体的受体植株的根际微生物群落也增强了番茄植株的灰霉病抗性。

图1  微生物群组在受体植物灰霉病抗性增强中发挥重要作用

3、CMN介导的植物间交流改变了番茄根际微生物组

16S rDNA扩增子测序发现，灰霉病菌侵染改变了供体植株的根际细菌群落，也改变了通过CMN连接到被侵染供体的受体植株的根际细菌群落（图2A）。此外，B.cinerea侵染提高了被侵染的供体植株、连接到被侵染供体的受体植株根际的链霉菌属（ASV5、ASV10和ASV25）和游动放线菌属（ASV12和ASV45）ASVs的相对丰度（图2B）。

4、CMN介导的植物间交流所促进的特定细菌对番茄植株具有保护作用

我们从番茄根际共分离出了与ASV5和ASV12的16S rRNA基因具有100%序列相似性的菌株Streptomyces sp. C89和Actinoplanes sp. C126（图2C）。共培养实验发现这两株细菌不能抑制B. cinerea的菌丝生长（图2C）。盆栽试验发现，这两株细菌不仅增强了番茄叶片的B. cinerea抗性（图2D），而且还提高了防御相关基因Lox-D and PI-II的表达水平（图2E）。

图2  CMN介导的植物间交流改变了受体植株根际细菌群落

5、根系分泌物的变化促进了有益菌在根际定殖

盆栽试验表明，连接到被B. cinerea侵染供体的受体植株根系分泌物提高了番茄根际C89和C126的丰度（图3A）。HPLC-MS分析发现，B. cinerea侵染改变了供体植株和受体植株根系分泌物的组分（图3B），具体而言，B. cinerea侵染显著促进了21种代谢物的分泌（图3C）。体外生物试验验证了L-谷氨酸、L-赖氨酸、核黄素、吡哆胺、棉子糖以及这五种化合物的混合物对分离菌株C89和C126的生长具有促进作用（图3D）。盆栽实验进一步表明，土壤中施用这五种化合物的混合物提高了C89和C126在根际的丰度（图3E）。在自然土壤中，这五种化合物的混合物能够显著提高番茄的灰霉病抗性（图3F），同时也增加了番茄根际链霉菌属（Streptomyces spp.）和游动放线菌（Actinoplanes spp.）的相对丰度（图3G）。

图3  CMN介导的植物间交流通过改变根系分泌物促进有益菌定殖

6、JA是介导植物间交流的一种化学信号

为了鉴定CMN转移的信号物质，我们进行了转录组测序。结果显示，B. cinerea侵染后，被侵染的供体植株和与被侵染供体植株相连的受体植株的上调表达基因主要与JA信号通路相关（图4A），并且根系中的JA和JA- Ile含量也显著增加（图4B）。接着，我们使用遗传手段证实了JA信号参与CMN介导的植物间交流。与野生型番茄同时作为供体和受体相比，(1)野生型番茄作为供体与JA受体突变体jai1作为受体、(2) JA合成突变体spr8作为供体与野生型番茄作为受体两种情况下受体植物抗性的增强幅度均降低(图4C)。同位素标记实验发现，D₅-JA施加到供体植物叶片后，在被B. cinerea侵染的供体植株、与被侵染供体植株相连的受体植株根系中均可以检测到D₅-JA，但在未连接到被侵染供体的受体植株根系中并不能检测到D₅-JA（图4D）。我们进一步使用H型桥接盆栽系统，将D₅-JA施加于供体植物叶片，发现在菌丝室以及受体植物根系中均检测到了该物质，这证明了植物通过CMN将JA从供体植物转移至受体植物（图4E）。

图4 CMN介导的JA转移增强了受体植株的灰霉病抗性

7、植物间JA转移调控根际微生物组装配

我们首先分析了CMN介导的JA转移对受体植物根际微生物组的影响。结果表明，与被B. cinerea侵染的野生型供体相连并没有改变jai1受体植株的根际细菌群落（图5A）,与此同时，与被B. cinerea侵染的spr8突变体供体连接，也并未改变野生型受体植株根际细菌群落。此外，这两种情况下Streptomyces和Actinoplanes spp.以及属于这两个菌属的ASVs的相对丰度均未发生改变（图5B）。根际菌群移植试验发现，当以野生型植物和spr8作为供体植物，对应的分别以jai1和野生型植株作为受体植物时，CMN介导的植物间交流诱导改变的受体根际微生物均未增强植株的灰霉病抗性（图5C）。接下来，我们测试了植物间JA转移对有益菌在根际定殖的影响。结果显示，与被B. cinerea侵染野生型供体连接的野生型受体根际中的C89和C126的相对丰度更高。然而，在与被侵染的spr8供体连接的野生型受体、与被侵染的野生型供体连接的jai1受体中均未观察到类似结果（图5D）。体外试验表明，与被侵染的spr8供体连接的野生型受体、与被侵染的野生型供体连接的jai1受体植物的根系分泌物并未促进菌株C89和C126的生长（图5E）。

图5 植物间JA转移调控根际微生物组的装配

8、激活JA信号通路促进了有益菌在根际定殖

我们使用茉莉酸甲酯（MeJA）处理番茄（WT）叶片从而激活JA信号通路。结果显示，MeJA处理显著增加了野生型植株根系的JA和JA-Ile的含量（图6A），改变了根际细菌群落（图6B）。具体而言，MeJA处理显著增加了番茄根际Streptomyces和Actinoplanes spp.的相对丰度（图6C）。进一步的根际菌群移植实验表明，MeJA诱导的根际微生物群落变化提高了番茄的灰霉病抗性（图6D）。

通过盆栽实验，我们分析了MeJA处理对有益菌在根际定殖中的作用。结果显示，经MeJA处理显著增加了有益菌C89和C126在番茄根际的丰度（图6E）。同时，经MeJA处理植株的根系分泌物能够促进菌株C89和C126的生长（图6F）。

图6  激活JA信号通路促进了有益菌在根际定殖

总之，CMN介导的植物间互作能够增强根际微生物组抑病力。当供体番茄植株被灰霉病菌侵染后，CMN能将供体植物产生的信号物质茉莉酸传送给健康的受体植株。随后，受体植株会改变自身根系分泌物，从而招募特定的有益微生物、增强对病害的抵抗力。

论文信息

原名：Common mycorrhizal networks facilitate plant disease resistance by altering rhizosphere microbiome assembly

译名：菌根网络通过调控根际微生物组装配提高植物抗性

期刊：Cell Host & Microbe

影响因子：18.7

DOI：10.1016/j.chom.2025.08.016

发表时间：2025.9