河南農業(yè)大學殷冬梅團隊在Advanced Science期刊上發(fā)表最新研究成果，解析花生通過招募有益菌群激活自身免疫的抗青枯病新機制

近日，河南農業(yè)大學殷冬梅教授團隊聯(lián)合南京林業(yè)大學、中國科學院南京土壤研究所等單位，在國際頂級期刊 Advanced Science 上發(fā)表了題為“Resistant peanut genotype reprograms rhizosphere metabolism to enhance bacterial wilt suppression”的研究成果。該研究揭示了高產(chǎn)、高抗青枯病花生新品種“農大花108”（縮寫為H108）通過精準招募根際有益菌群并協(xié)同激活自身免疫的抗青枯病分子機制，同時成功開發(fā)出一種可規(guī)模化應用的益生元制劑，能夠顯著提高花生青枯病抗性，為作物土傳病害的綠色防控提供了新方案。

花生是我國重要的油料和經(jīng)濟作物，總產(chǎn)量居世界首位。花生青枯病是一種毀滅性土傳病害，產(chǎn)量損失可達50%以上，甚至絕收。培育高產(chǎn)、高抗青枯病的花生新品種是解決這一產(chǎn)業(yè)問題的關鍵。“農大花108”是殷冬梅教授培育的高產(chǎn)、高抗青枯病的花生新品種，入選全國推廣面積前十大品種。農大花108如何既高產(chǎn)又抗病？能否從該品種自身的“基因智慧”出發(fā)，找到一種既生態(tài)友好又高效精準的防控策略？為了破解這一難題，研究團隊選取“農大花108”（縮寫為H108）和高感青枯病品種“農大花107”（縮寫為H107），分別種植在河南信陽青枯病高發(fā)地塊和鄭州健康地塊，在其不同生長發(fā)育階段采集根際土壤和根系樣本，綜合運用16S rRNA微生物組測序、非靶向代謝組學、轉錄組測序等多組學技術，開展了從“根際微生態(tài)”到“植物體內免疫”的系統(tǒng)解析。

1、內外兼修：根際有益微生物與系統(tǒng)性免疫協(xié)同抗病

為了解農大花108抗青枯病過程中的植物-細菌群落互作，進行了16S rRNA擴增子測序。結果表明，在青枯菌侵染下，抗病品種H108根際的微生物多樣性顯著高于感病品種H107，并且其群落結構發(fā)生了明顯的有利重塑。具體來說，H108根際青枯菌的相對豐度比H107低了約40倍。與此同時，多種有益細菌在H108根際被顯著富集，如Kosakonia radicincitans、Frankia、Bradyrhizobium、Mesorhizobium等。同時，研究團隊通過對抗病品種根系轉錄組的深入分析發(fā)現(xiàn)，H108在青枯菌侵染后，水楊酸信號通路被強烈激活。將一個命名為Ah10g050800的PR1基因瞬時過表達后可顯著增強植物對青枯菌的抗性，說明抗病品種H108通過精準招募根際有益菌群并協(xié)同激活自身免疫的抗青枯病新機制。

2、統(tǒng)籌指揮：關鍵代謝物招募有益菌群并誘導系統(tǒng)性抗性

對根際土壤中代謝物進行了全面分析，鎖定了一組包括甜菜堿、精氨酸和水楊酸在內的核心代謝物。這些代謝物在抗病品種H108根際中的含量顯著高于感病品種，并且它們與前述有益菌的豐度呈顯著正相關，與青枯菌的豐度呈顯著負相關。更有趣的是，這些代謝物中的水楊酸也是植物體內系統(tǒng)性獲得性抗性信號通路的關鍵激活劑。這就形成了一個巧妙的正反饋循環(huán)：抗病花生在病原菌脅迫下，一方面通過根部分泌代謝物，主動招募有益菌；另一方面，這些代謝物又作為信號分子激活體內的系統(tǒng)性獲得性抗性，進一步增強植物自身的免疫力。

圖1 花生關鍵代謝物協(xié)同調控根際微生態(tài)與系統(tǒng)性免疫

3、從論文到產(chǎn)品：益生元制劑的研發(fā)

根據(jù)多組學分析篩選出的關鍵代謝物，選擇甜菜堿、精氨酸和水楊酸等三種安全、成本可控的化合物，按特定比例復配，研制出一種新型花生益生元制劑。室內抑菌試驗表明甜菜堿、精氨酸、水楊酸單獨使用時對青枯菌有抑制作用，三者復配后抑菌效果顯著增強，表現(xiàn)出協(xié)同增效作用。盆栽試驗表明無論是通過水培根系處理還是土壤灌根處理，益生元均能顯著降低感病品種H107的青枯病病情指數(shù)，從0.90以上降至0.05–0.08，且不影響植株正常生長。該益生元對花生白絹病也表現(xiàn)出顯著的抑制效果。

圖2 花生益生元制劑的研發(fā)及應用

研究團隊在信陽青枯病重病田和鄭州健康田同時開展了益生元大田試驗應用。通過種子浸泡+苗期根施的方式，結果表明：在青枯病重田快，感病品種H107的發(fā)病率在未處理組高達84.2%，而經(jīng)過益生元處理后，發(fā)病率降至5.0%，防效高達94.1%。同時益生元也具有顯著的增產(chǎn)效果，在病害壓力下，益生元處理使感病品種H107的產(chǎn)量得以保留84.9%；在健康田塊，益生元處理使花生增產(chǎn)12.87%–20.30%。益生元處理后，有益菌豐度顯著升高，而青枯菌豐度下降；同時根系中水楊酸信號通路相關基因的表達也顯著上調，表明益生元發(fā)揮了“根際重塑+免疫激活”的雙重作用。

本研究首次在花生中建立了從“根際代謝物–有益菌群–植物免疫”的完整證據(jù)鏈，揭示了作物抗病性背后“內外協(xié)同”的智慧策略。這一發(fā)現(xiàn)豐富了對植物-微生物互作的理論認知，也為其他作物土傳病害的防控提供了可借鑒的研究范式。

河南農業(yè)大學青年教師任銳副教授和南京林業(yè)大學?李孝剛教授為論文共同第一作者，河南農業(yè)大學殷冬梅教授和馬興立副教授為共同通訊作者。中國科學院南京土壤研究所王興祥研究員對該研究提供了重要指導。該研究得到了國家自然科學基金、中原學者基金、河南省重點科技攻關等項目支持。殷冬梅教授領銜的河南農業(yè)大學花生功能基因組創(chuàng)新團隊，依托于河南省花生基因組與分子育種工程技術研究中心，主要從事花生基因組與功能基因挖掘，產(chǎn)量和抗病等性狀形成機制與調控等方面的研究。圍繞花生種業(yè)“卡脖子”等重要科學問題開展工作，已在Nature Genetics、Advanced Science、Genome Biology、Plant Biotechnology Journal、New Phytologist等國際著名期刊上發(fā)表了150余篇學術性文章，取得多項原創(chuàng)性研究成果。