该研究由Haruna Matsumoto、Xiaoyan Fan、Yue Wang、Peter Kusstatscher、Jie Duan、Sanling Wu、Sunlu Chen、Kun Qiao、Yiling Wang、Bin Ma、Guonian Zhu、Yasuyuki Hashidoko、Gabriele Berg、Tomislav Cernava和Mengcen Wang等作者共同完成，分别来自浙江大学、奥地利格拉茨技术大学、日本北海道大学等多个研究机构。该研究于2021年1月发表在《Nature Plants》期刊上，题为“One bacterial seed endophyte shapes disease resistance in rice”。

学术背景

该研究属于植物病理学与微生物生态学的交叉领域，主要关注水稻种子内生菌在抗病性中的作用。随着全球人口的增长，粮食需求急剧增加，水稻作为全球半数人口的主食，其产量受到植物病害的严重威胁，尤其是种子传播的细菌病害。近年来，由Burkholderia plantarii（BP）引起的病害在全球范围内蔓延，导致水稻幼苗枯萎和谷物腐烂，严重影响了水稻的产量和质量。传统的农药防治方法效果有限，且对环境不友好。因此，探索宿主植物自身的抗病机制，尤其是通过内生菌调控抗病性，成为现代农业实践中的重要研究方向。

研究流程

该研究分为以下几个主要步骤：

1. 表型筛选与抗病性鉴定
   研究团队首先在浙江省的水稻种植区进行了表型筛选，选取了不同地理来源的水稻种子（品种为“中早39”），并将其暴露于BP病原菌中。结果显示，来自不同地区的种子表现出不同的抗病表型。通过对比分析，研究人员发现S2、S3和S8地区的种子表现出抗病性，而S5地区的种子则易感病害。进一步的实验表明，这种抗病性与种子内生菌的组成有关。

2. 微生物组分析
   为了探究抗病表型与内生菌的关系，研究团队对来自不同地区的种子进行了微生物组分析。通过高通量测序技术，研究人员发现抗病种子中Sphingomonas属细菌的相对丰度显著高于易感种子。特别是Sphingomonas melonis（SM）菌株在抗病种子中占主导地位，且这种菌株在连续三代种子中均能稳定传递。

3. 内生菌的分离与功能验证
   研究人员从抗病种子中分离出SM菌株，并通过实验验证其在抗病性中的作用。结果显示，SM菌株能够显著抑制BP病原菌的生长及其产生的毒素tropolone（TR）。进一步的代谢组分析表明，SM菌株通过分泌一种名为anthranilic acid（AA）的小分子物质，干扰了BP病原菌的毒素合成途径。

4. 小分子物质的结构与功能研究
   通过代谢组学、质谱分析和核磁共振技术，研究人员确定了AA的化学结构，并验证了其在抗病性中的关键作用。实验表明，AA能够直接抑制BP病原菌的毒素合成，而不影响其细胞生长。此外，AA还能够通过干扰BP病原菌的sigma因子RpoS，抑制其毒力因子的生物合成。

5. 转录组分析与分子机制研究
   为了进一步揭示AA的作用机制，研究人员对BP病原菌进行了转录组分析。结果显示，AA显著下调了与毒素合成相关的基因表达，尤其是与RpoS调控的基因簇。通过表面等离子体共振（SPR）实验，研究人员还证实了AA与RpoS蛋白的高亲和力结合，从而抑制了其功能。

主要结果

1. 抗病表型与内生菌的关系
   研究发现，抗病水稻种子中Sphingomonas属细菌的丰度显著高于易感种子，尤其是Sphingomonas melonis菌株在抗病种子中占主导地位。这种菌株能够通过分泌AA小分子物质，抑制BP病原菌的毒素合成，从而赋予水稻抗病性。

2. AA的化学结构与功能
   AA是一种七元非苯环芳香族化合物，能够直接干扰BP病原菌的毒素合成途径。实验表明，AA通过结合BP病原菌的sigma因子RpoS，抑制了其毒力因子的生物合成，从而降低了病原菌的致病性。

3. 转录组分析揭示的分子机制
   转录组分析结果显示，AA显著下调了与毒素合成相关的基因表达，尤其是与RpoS调控的基因簇。SPR实验进一步证实了AA与RpoS蛋白的高亲和力结合，揭示了其在抗病性中的关键作用。

结论与意义

该研究首次揭示了水稻种子内生菌在抗病性中的重要作用，特别是Sphingomonas melonis菌株通过分泌AA小分子物质，抑制了BP病原菌的毒素合成，从而赋予水稻抗病性。这一发现为水稻病害的防治提供了新的思路，即通过调控内生菌群落，增强水稻的天然抗病能力。此外，AA作为一种新型的抗病信号分子，具有潜在的农业应用价值，未来可以开发基于AA的衍生物，用于防治多种植物病害。

研究亮点

1. 首次揭示种子内生菌在抗病性中的作用
   该研究首次系统性地研究了水稻种子内生菌在抗病性中的作用，填补了植物病理学领域的一个重要空白。

2. 发现新型抗病信号分子AA
   研究人员首次发现并鉴定了AA这一新型抗病信号分子，揭示了其在抑制病原菌毒素合成中的关键作用。

3. 创新性的实验方法
   研究采用了高通量测序、代谢组学、质谱分析、核磁共振和SPR等多种先进技术，全面揭示了AA的作用机制，为类似研究提供了重要的方法学参考。

其他有价值的内容

该研究还探讨了环境因素对种子内生菌群落的影响，发现除草剂的使用可能影响Sphingomonas菌株的丰度和功能。这一发现为未来研究环境因素与植物微生物组的关系提供了新的视角。

总体而言，该研究不仅在理论上深化了我们对植物-微生物相互作用的理解，还在实践上为水稻病害的防治提供了新的策略，具有重要的科学和应用价值。