水稻种子内生细菌Sphingomonas melonis通过分泌邻氨基苯甲酸调控宿主对病原菌Burkholderia plantarii的抗性机制研究

一、作者与发表信息
本研究由Haruna Matsumoto（浙江大学农业与生物技术学院）、Tomislav Cernava（奥地利格拉茨技术大学环境生物技术研究所）、Mengcen Wang（浙江大学农药与环境毒理研究所）等共同完成，发表于*Nature Plants*期刊（2020年，DOI: 10.1038/s41477-020-00826-5）。

二、学术背景
随着全球人口增长，水稻（Oryza sativa L.）作为主要粮食作物面临种子传播病原菌（如伯克霍尔德菌属*Burkholderia*）的严重威胁。传统农药防控效果有限，且破坏生态环境。植物微生物组（phytobiome）研究揭示，种子内生菌可能参与宿主抗病性调控，但其机制尚不明确。本研究聚焦中国浙江地区水稻品种“中早39”中发现的抗病表型差异，旨在解析种子内生菌介导的抗性机制及其生态意义。

三、研究流程与实验设计
1. 表型筛选与病原菌验证
- 样本采集：从浙江4个地区（S2、S3、S5、S8）采集“中早39”水稻种子，构建150个样本库。
- 抗性表型鉴定：通过接种病原菌*B. plantarii*（BP），发现S2/S3/S8种子表现为抗病（根系发育正常），而S5种子敏感（根系褐变、生长抑制）。
- 病原菌检测：通过PCR扩增*gyrB*和16S-23S rRNA间隔区基因，结合毒素tropolone（TR）定量，证实抗性与BP定殖无关，而TR水平在敏感表型中显著升高（S5 > S3 > S2≈S8）。

1. 微生物组分析

   • 高通量测序：对2016年和2019年两代种子进行16S rRNA（V3-V4/V4区）和ITS1测序。结果显示抗病表型中鞘氨醇单胞菌属（*Sphingomonas*）相对丰度显著高于敏感表型（S2: 41.6% vs. S5: 6.8%），且其为核心微生物组成员。
     
   • 真菌群落分析：真菌组成无表型特异性差异，排除其直接抗病作用。
     

2. 内生菌分离与功能验证

   • TR抗性菌株筛选：利用含TR（20 mg/L）培养基从抗病种子中分离出黄色菌落Sphingomonas sp. ZJ26，经基因组平均核苷酸一致性（ANI>99%）和系统发育分析鉴定为*S. melonis*（SM）。
     
   • 抗性转移实验：将SM接种至敏感种子（S5）后，TR水平下降88%，根系恢复生长，证实SM直接赋予抗性。
     

3. 活性分子鉴定与机制解析

   • 代谢组学：通过GC-MS/MS和UPLC-DAD-Q-TOF-MS/MS分析，发现抗病种子中邻氨基苯甲酸（anthranilic acid, AA）含量显著升高（12.4 mg/kg）。
     
   • 分子互作验证：
     
     • 转录组学：AA处理BP后，1,645个基因差异表达（762上调，883下调），其中ABC转运蛋白、群体感应（quorum sensing）和鞭毛组装通路显著抑制。
       
     • 表面等离子共振（SPR）：AA与BP的σ因子RpoS结合亲和力最高（Kd=1.30×10⁻⁷），通过氢键作用于Gln205位点，干扰毒力因子合成。
       

4. 环境关联与进化意义

   • 除草剂胁迫实验：抗病表型地区（S2/S3/S8）土壤中SM丰度与除草剂（如喹草酸oxadiargyl）降解相关，提示环境压力驱动SM-宿主协同进化。
     

四、主要结果与逻辑链条
1. 表型-微生物组关联：抗病表型与SM富集显著相关（p<0.05），且SM可跨代传播。
2. 功能分子AA的发现：SM分泌的AA通过抑制RpoS信号级联，阻断TR合成，而非直接杀菌或激活植物免疫（SA/JA通路无响应）。
3. 生态适应性：SM在除草剂压力下选择性富集，体现“cry-for-help”策略。

五、结论与价值
1. 科学价值：首次揭示种子内生菌通过小分子代谢物直接调控病原菌毒力的新机制，拓展了“病害三角”（plant-pathogen-environment）理论中环境微生物的调控维度。
2. 应用潜力：AA及其衍生物可作为新型生物农药靶点，减少化学农药依赖；SM菌株或可开发为种子处理剂。

六、研究亮点
1. 方法创新：结合多组学（微生物组、代谢组、转录组）与SPR技术，精准解析AA-RpoS互作。
2. 理论突破：提出“种子微生物组-宿主抗性”跨代传递模型，为作物抗病育种提供新思路。

七、其他发现
AA对水稻其他病原菌（如*Xanthomonas oryzae*）亦有抑制活性，提示其广谱应用潜力。

（注：原文中涉及的基因名如*osjar1*、*osics*等保留不译；技术术语如“amplicon sequence variants (ASVs)”首次出现时标注英文。）