2017-05-19
最近，派森诺生物再次与南京农业大学沈其荣教授课题组合作，在土壤学领域老牌期刊《Soil Biology & Biochemistry》发表文章（最新影响因子4.152），揭示了土壤中真菌菌群在抑制镰刀菌枯萎病的过程中所起的重要保护作用。
研究背景
香草是一种高价值的经济作物，被广泛种植于热带和亚热带地区，但是香草作物却受到镰刀菌枯萎病的严重威胁，会导致香草作物的严重减产，而主要病因是一种名为尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）的真菌。由于香草属于单一作物，一旦镰刀菌枯萎病爆发，长期种植香草将会导致土壤中镰刀病病原体的累积。虽然通过作物轮作的方式可以改善这一情况，但是需要耗费大量的财力物力人力，在现实种植业中非常不现实。
研究目的
根据先前的实地考察研究，中国海南岛上种植的香草的镰刀菌枯萎病发病率很低，即使经过长达数十年的香草种植，土壤中镰刀菌病原微生物的含量仍保持低水平。为了探明该地区土壤对香草镰刀菌枯萎病的抑制作用，同时为了解决镰刀菌枯萎病对香草作物的损害以及连带的经济影响，本研究将该地区土壤与高发病率区域的土壤进行相互比较，从而阐明土壤菌群的组成结构与香草镰刀菌枯萎病发病率之间的相互关系。
研究方法
测序技术：Illumina MiSeq高通量测序平台
测序模式：细菌16S rRNA基因V4区和真菌ITS1区测序
实验对象：香草种植土壤样品
实验设计：土壤样品分别取自两个不同果园的香草连续种植地（均超过20年），两者在镰刀菌枯萎病的发病率上有显著差别，Gaolong（为抑制型土壤S）的发病率低，Xinglong（为患病型土壤C）的发病率高。分别在每个果园的香草种植地中选择9块约60cm2的土壤，每块土壤各自取10个样（深度为0~20 cm、直径为2.5 cm），每个样品取样点之间间隔2 m以上，最后将取得的10个样品混合为一个，最终在两个果园分别获得9份样品，共计18份土壤样品。
研究结果
本研究中，分别对18份样品进行土壤理化性质检测、Fusarium oxysporum数量、真菌总量和细菌总量的定量PCR测定，以及土壤中真菌和细菌的高通量测序。高通量测序共获得474,250条真菌序列和736,751条细菌序列，并在97%的序列相似度水平进行聚类，得到4071个真菌OTU和10,191个细菌OTU。
两个果园香草种植土壤样品的理化性质
对土壤的理化性质进行检测，并比较两个果园土壤性质的差异可知，抑制型土壤中的OM总量和N、P、Fe成分显著高于患病型土壤，而pH值、EC和K成分却显著低于病型土壤。F. oxysporum病原体在两种土壤中都存在，但是在患病型土壤中的含量几乎达到抑制型土壤的两倍。
将两种土壤（S和C）、以及两种土壤处理后的混合土壤（单纯混合组SC和抑制型土壤加热后混合组S90C）的发病率进行比较发现，S的发病率为11%，SC的发病率为27%，C的发病率为70%，S和SC组的发病率相较C组都具有显著差异，而S90C组的发病率与C组相比只有略微下降，统计学差异不显著。
对抑制型土壤和患病型土壤进行多样性指数分析可知，抑制型土壤中真菌丰度和多样性远高于患病型土壤（差异显著），而患病型土壤则具有更高的细菌多样性。同时，UniFrac PCoA分析也表明，两种土壤的真菌和细菌菌群均存在显著差异。
门水平的真菌组成分布图显示，两种土壤中的Ascomycota、Basidiomycota和Zygomycota门都在真菌中占有绝对优势，但在抑制型土壤中，Basidiomycota和Zygomycota门的丰度高于患病型土壤，而Ascomycota门则相反；细菌的组成分布图则显示，Acidobacteria、Proteobacteria、Verrucomicrobia、Bacteroidetes、Actinobacteria和Firmicutes为优势门，同时，Acidobacteria、Verrucomicrobia、Actinobacteria和Firmicutes门在抑制型土壤中的丰度高于患病型土壤，而Proteobacteria和Bacteroidetes门则相反。
对真菌和细菌群落中丰度前40的属进行LEfse分析，通过LDA得分值可知，在真菌中有10个属具有显著差异，其中6个在抑制型土壤中被富集；而在细菌中有26个属具有显著差异，其中有19个在患病型土壤中丰度更高。
真菌菌群的网络分析显示真菌物种间的相互作用关系。其中抑制型土壤和患病型土壤的OTU节点数分别为225和230，每个节点的平均连接度为6.85和5.48，平均路径长度分别为3.28和2.42，平均聚类系数分别为0.34和0.27，并且正相关与负相关比例分别为15.76和1.68，表明抑制型土壤相较患病型土壤中真菌菌群之间具有更多的相互促进关系。
总结
本研究通过对两种香草种植土壤中的真菌和细菌菌群进行高通量测序分析，发现土壤中的真菌菌群对镰刀菌枯萎病有着很好的抑制保护作用，同时发现，除了众所周知的病原体Fusarium oxysporum外，Fusarium pseudensiforme在疾病发生发展过程中也起到关键作用。这一研究结果，不但具有科学研究意义，同时也有助于香草种植产业对土壤进行靶向优化。
本研究的测序和数据分析工作由上海派森诺生物科技股份有限公司完成。
文章索引：
W Xiong, R Li, Y Ren, C Liu, QY Zhao, Kim, HS Wu, Alexandre Jousset, and QR Shen, (2017). Distinct roles for soil fungal and bacterial communities associated with the suppression of vanilla Fusarium wilt disease. Soil Biology & Biochemistry 107 (2017) 198e207. doi: 10.1016/j.soilbio.2017.01.010
原文链接：
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038071717300664
