摘要：● 合作作者：Cuiping Mo, Bixia Qin, Yige Zhao, Xiao Chen, Songbai Zhang, Yaling Zhao, Mengcen Wang, Yu Yang, Jianhe Cai

虫媒病毒重构水稻根际微生物群落与功能

Reovirus infection results in rice rhizosphere microbial community reassembly through metabolite-mediated recruitment and exclusion

研究论文

● DOI：10.1186/s40168-025-02188-6

●原文链接: https://doi.org/10.1186/s40168-025-02188-6

● 第一作者：Zhanbiao Li；Wandi Luo；Huiting Xie

● 通讯作者：Baozhan Wang；Xu Liu；Yu Shi

● 合作作者：Cuiping Mo, Bixia Qin, Yige Zhao, Xiao Chen, Songbai Zhang, Yaling Zhao, Mengcen Wang, Yu Yang, Jianhe Cai

● 主要单位：

1 Plant Protection Research Institute, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Guangxi Key Laboratory of Biology for Crop Diseases and Insect Pests, Key Laboratory of Green Prevention and Control on Fruits and Vegetables in South China Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Nanning, China.

2 College of Agriculture, Yangtze University, Jingzhou, China.

3 State Key Laboratory of Crop Stress Adaptation and Improvement, School of Life Sciences, Henan University, Kaifeng, China.

4 State Key Laboratory of Rice Biology and Breeding, College of Agriculture and Biotechnology, Ministry of Agricultural and Rural Affairs Laboratory of Molecular Biology of Crop Pathogens and Insects, Key Laboratory of Biology of Crop Pathogens and Insects of Zhejiang Province, Institute of Pesticide and Environmental Toxicology, Zhejiang University, Hangzhou, China.

5 College of life sciences and oceanography, Shenzhen University, Shenzhen, China.

6 Department of Microbiology, College of Life Sciences, Nanjing Agricultural University, Key Laboratory of Agricultural and Environmental Microbiology, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Nanjing, China.

7 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing, China.

8 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing, China.

9 College of Agriculture, Guangxi University, Nanning, China.

摘要Abstract

解析微生物群落构建对理解生态系统功能和生物多样性维持至关重要。虽然很多研究关注了非生物因素（如土壤、气候）对地下微生物群落构建的影响，但对于生物相互作用，特别是病毒感染如何塑造微生物群落，人们了解得还很少。南方水稻黑条矮缩病毒（SRBSDV，属于呼肠孤病毒科斐济病毒属）传播迅速，曾导致水稻严重减产。然而，这种虫媒病毒如何具体影响水稻根际的微生物群落结构与功能尚未完全阐明。本研究结合了代谢组学、扩增子测序和宏基因组学技术，全面解析了SRBSDV感染对水稻根际微生物群落及其功能的影响。研究发现，SRBSDV的入侵导致了根际代谢物和微生物群落构建过程的显著变化。病毒侵染后，阳离子代谢物过度分散程度（overdispersion）急剧下降；而阴离子代谢物在感染初期显著下降，但在15天后迅速回升。一些关键的微生物类群，如甲烷氧化菌（如Methylomicrobium）、硝化细菌（如Nitrospira）和铁循环细菌（如Sideroxydans），不仅数量显著增加，而且在微生物群落构建过程中扮演了重要角色。这些关键微生物与特定的代谢物紧密关联，并形成了两个不同的“网络模块”（可以理解为两个分工不同的微生物团队）。这两个模块主要招募对植物有益的微生物，但其中一个模块还会排斥可能有害的微生物（如Salmonella），这些有害菌可能破坏群落的稳定性。后续外源代谢物添加实验证实了（槲皮素）在吸引有益微生物同时排斥有害微生物方面起着关键作用。这项研究表明，虫媒病毒能够通过改变水稻根际的代谢物组成，有选择地招募或排斥关键的微生物种类，从而强烈影响地下根际微生物群落的构建过程。这些关键微生物，反过来又对根际的多种功能（如养分循环）起着重要作用。这些发现为未来通过管理根际微生物群落来增强水稻抗病毒免疫力的策略，奠定了重要的理论基础。

研究流程和科学假设概念图

引言Introduction

南方水稻黑条矮缩病毒（SRBSDV）是一种虫媒病毒，属于呼肠孤病毒科斐济病毒属，于2008年首次报道。它专门由能够长距离迁飞的白背飞虱传播，对东亚和东南亚的水稻作物造成严重危害。水稻是全球超过一半人口的重要主粮，特别容易受到虫媒病毒病的影响。植物天然与多种微生物共存，这些微生物对其健康和整体适应性至关重要。当植物感染病毒时，其免疫系统会被激活，导致防御化合物的释放和根系分泌物的改变，这反过来又改变了植物体内和根际的微生物群落及其功能群。先前报告已证实，SRBSDV感染在30天内显著增加了水稻根际微生物群落的多样性和丰富度。然而，迄今为止，关于SRBSDV感染对水稻-微生物生态系统，特别是对根际微生物群落构建过程影响的综合研究仍然有限。

微生物群落构建过程是微生物生态学的一个核心主题，对生物多样性和生态系统功能具有重要影响。探索影响土壤微生物群落因素的研究强调了两大基本类别：(1) 确定性过程：当不同的生态位允许物种在竞争中共存时驱动微生物定殖。这包括异质选择（选择性环境呈现高空间异质性）和同质选择（在空间均质环境中普遍存在）。(2) 随机性过程：使多个物种能够在相似或重叠的生态位中共存而不会被竞争排除。这包括由空间隔离引起的扩散限制、以群落间高扩散率为特征的均质化扩散、以及涉及随机波动和无主导情况的生态漂变。为量化上述五个过程在微生物群落构建中的相对重要性，Ning等人构建了一种基于系统发育分箱的零模型分析方法，称为iCAMP。该方法能够识别单个物种在这些过程中的贡献，有助于精确定位在微生物群落构建中作用更大的关键微生物物种。通常，微生物网络中高度关联的类群被视为关键种；这些物种占据关键的拓扑位置，并对重要的生态功能（如养分循环和植物生长）有显著贡献。类比而言，微生物群落构建过程与生态系统功能和生物多样性紧密相连。因此，应认识到关键或构建性物种（优势种）在微生物群落构建中的关键作用，及其对生态服务的重大贡献。

根际是根系与植物之间养分转化的关键区域，也是植物与土壤微生物互利互作的热点区域。这些互作对陆地生态系统的功能至关重要，并且对非生物和生物环境因素的变化高度敏感。例如，纹枯病菌（Rhizoctonia solani AG8）感染小麦根系会导致根际微生物群落发生剧变，增加有益微生物（如Chitinophaga和Pseudomonas）的数量。基于宏基因组分析，Carrión等人发现，在纹枯病菌侵染期间，有益细菌家族的成员可以在甜菜根内圈中富集。除了地下入侵，植物还常常面临地上挑战，如食草动物取食和叶部病原体侵染。Berendsen等人的研究表明，给拟南芥叶片接种病原体可以选择性地促进根际中某些细菌物种的出现。同样，Lee等人2012年的研究揭示，蚜虫取食会触发植物防御反应并吸引能够对抗病原和非病原微生物的有益细菌。近期研究还表明，叶部食草行为能强烈影响根际微生物群落的多样性、组成、构建过程及互作网络。这表明植物地上部分的损伤也能深刻影响根际微生物群落及其相关的生态系统功能。可能的原因是食草动物的攻击触发了寄主植物发生多种生理生化变化，如光合效率降低、凋落物成分改变、根系结构或构型变化、以及根系分泌物/挥发性化合物改变。这些效应最终影响地下资源的获取和分配，从而塑造了根际微生物组。此外，在植物-食草动物互作过程中，来自食草动物唾液或肠道（包括病毒）的微生物可被运输到植物，刺激其免疫反应，进而影响寄主根际微生物群落。然而，虫媒病毒病如何影响植物根际微生物及其功能的机制仍知之甚少。特别是关于虫媒病毒病对根际微生物群落构建过程及相关生态功能影响的研究极为罕见。

代谢物作为关键的生化介质，通过影响养分可利用性、竞争性排斥和种间通讯在微生物群落构建中发挥基础性作用。例如，必需代谢物（如氨基酸和维生素）的交换促进了微生物间的合作互作；而植物源次生代谢物（如类黄酮、萜类和酚酸）则选择性调控微生物的生长和群落结构。此外，群体感应化合物等信号分子调控着种群行为（包括生物膜形成和毒力）；而植物根系分泌物（如独脚金内酯和香豆素）则作为化学引诱剂和信号分子塑造根际微生物组的构建。除了微生物间的相互作用，代谢副产物（如短链脂肪酸和胆汁酸）以及植物源代谢物也改变局部环境条件，创造出影响微生物选择和群落稳定性的特化生境。在宿主相关的微生物组（如肠道或植物根际）中，这些代谢物是宿主-微生物对话的关键调节因子。例如，植物源的特化代谢物（如苯并恶唑嗪类）已被证明能选择性地富集根际中有益的假单胞菌属物种；而胆汁酸则已知能塑造人肠道中的微生物组成。因此，理解代谢物（特别是植物源代谢物）在微生物群落构建中的作用，对于解析群落动态、预测生态系统功能以及开发基于微生物组的农业策略至关重要。

在本研究中，我们利用感染虫媒病毒的水稻模型，旨在探索SRBSDV对微生物群落组成、代谢物及功能群的影响。研究还试图确定病毒感染是否会显著改变微生物群落构建过程，以及根际中的一些关键微生物类群是否是这一变化的主要贡献者。我们进一步假设这些关键微生物与特定的根系代谢物密切相关，并可能与对植物的有益或有害效应相关联。为验证这一假设，我们在SRBSDV接种后第15、30、45和60天采集了根际土壤样品。随后对这些样品进行了微生物群落结构、代谢物谱和宏基因组特征分析。

结果Results

图1 | 健康与SRBSDV感染条件下水稻植株表型变化

(A) 两种处理组水稻生长期表型对比（SRB：SRBSDV感染组；CK：对照组）。感染植株生长显著弱于对照组。(B) SRB与CK组植株参数差异（根长、株高、纤维重量、茎围）。散点颜色区分不同生长期。参数β为线性混合效应模型所得处理效应系数，已排除生长期影响。(C) SRBSDV感染水稻中病毒蛋白P6/P10表达量。"dpi"指接种后天数，对应15天间隔的四个关键生长期。

图2 | CK与SRBSDV处理组根际代谢物特征变化

(A) 阴阳离子代谢物组成差异：经PCA降维后的三维分布。颜色区分生长期，符号区分处理组。(B) 基于狄利克雷-多项式分布的组间过离散（overdispersion）计算。(C) 通过随机森林与线性混合模型筛选的标志代谢物相对丰度分布。

图3 | CK与SRBSDV处理组根际微生物群落差异

(A) 不同生长期根际微生物群落组成分布（颜色标记菌门）。(B) 基于Bray-Curtis距离的PCoA群落异质性分布。ANOSIM评估处理、时间及其交互效应。(C) Shannon指数表征的微生物α多样性组间差异。(D) 线性混合模型差异物种分析（以处理为固定效应、生长期为随机效应）。火山图中SRB组上调物种位于上方，CK组上调物种位于下方。(E) 不同生长期微生物功能富集变化（*P

图4 |基于iCAMP的根际微生物群落构建过程及关键贡献菌

(A) 确定性/随机性过程量化（Cohen's d效应量>0.8表示强效应）。(B) 系统发育树展示微生物分箱构建贡献：外环为相对丰度，内环热图显示各过程贡献度，核心系统发育树按分类着色。

图5 | 根际微生物组-代谢物组二分网络

(A) 二分网络分布：黄圈为微生物类群，其他为代谢物（紫色：模块1；绿色：模块2；圈大小反映中心度；红线正相关，蓝线负相关）。(B) 正/负关联网络特化度计算，揭示根际招募与排斥过程。(C) 模块1/2代谢物与微生物关联热图，佐证(B)中招募/排斥现象。

图6 | 关键代谢物-微生物互作的水培验证

(A) 实验设计：水稻栽培土提取液用于水培，保留微生物同时减少土壤干扰。设置四组处理：无菌水(CK)、异槲皮苷、金丝桃苷、槲皮素，通过高通量测序验证假说。(B) 四组处理下微生物群落组成（展示类群丰度差异）。(C) 基于加权UniFrac距离的群落结构差异（槲皮素处理组与CK显著分离）。(D) 槲皮素处理组vs CK的差异微生物火山图（右侧红点：显著上调类群；左侧蓝点：显著下调类群；标注Silva数据库可信属名）。

结果Conclusion

本研究阐明，病毒侵染引发的根际微生物群落重构与根系代谢物变化，与关键物种的相对丰度改变密切相关。这表明水稻在遭受SRBSDV侵染时，其根际能同时实现有益微生物的招募与潜在有害类群的排斥。这些发现强调了根系相关微生物及代谢物在植物防护中的核心作用，并为开发微生物-代谢物协同制剂以可持续保护易感作物提供了重要依据。

参考文献Reference

Zhanbiao Li, Wandi Luo, Huiting Xie, Cuiping Mo, Bixia Qin, Yige Zhao, Xiao Chen, Songbai Zhang, Yaling Zhao, Mengcen Wang, Yu Yang, Jianhe Cai, Baozhan Wang, Xu Liu, Yu Shi. (2025). Reovirus infection results in rice rhizosphere microbial community reassembly through metabolite-mediated recruitment and exclusion, DOI: 10.1186/s40168-025-02188-6.

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来源：微生物组