原文链接：Probiotic Diversity Enhances Rhizosphere Microbiome Function and Plant Disease Suppression | mBio (asm.org)

ABSTRACT

Bacterial communities associated with plant roots play an important role in the suppression of soil-borne pathogens, and multispecies probiotic consortia may enhance disease suppression efficacy. Here we introduced defined Pseudomonas species consortia into naturally complex microbial communities and measured the importance of Pseudomonas community diversity for their survival and the suppression of the bacterial plant pathogen Ralstonia solanacearum in the tomato rhizosphere microbiome. The survival of introduced Pseudomonas consortia increased with increasing diversity. Further, high Pseudomonas diversity reduced pathogen density in the rhizosphere and decreased the disease incidence due to both intensified resource competition and interference with the pathogen. These results provide novel mechanistic insights into elevated pathogen suppression by diverse probiotic consortia in naturally diverse plant rhizospheres. Ecologically based community assembly rules could thus play a key role in engineering functionally reliable microbiome applications.

摘要

与植物根部相关的细菌群落在抑制土壤传播的病原体方面发挥着重要作用，而多种益生菌群落可能会增强疾病抑制效果。在这里，我们将确定的假单胞菌种群落引入自然复杂的微生物群落中，并测量了假单胞菌群落多样性对其生存以及抑制番茄根际微生物组中细菌植物病原体青枯菌的重要性。引入的假单胞菌群落的存活率随着多样性的增加而增加。此外，高假单胞菌多样性降低了根际病原体密度，并降低了发病率，这是由于资源竞争加剧和对病原体的干扰。这些结果为自然多样化植物根际中多样化益生菌群落对病原体抑制的提高提供了新的机制见解。因此，基于生态的群落组装规则可以在设计功能可靠的微生物组应用中发挥关键作用。

IMPORTANCE The increasing demand for food supply requires more-efficient control of plant diseases. The use of probiotics, i.e., naturally occurring bacterial antagonists and competitors that suppress pathogens, has recently reemerged as a promising alternative to agrochemical use. It is, however, still unclear how many and which strains we should choose for constructing effective probiotic consortia. Here we present a general ecological framework for assembling effective probiotic communities based on in vitro characterization of community functioning. Specifically, we show that increasing the diversity of probiotic consortia enhances community survival in the naturally diverse rhizosphere microbiome, leading to increased pathogen suppression via intensified resource competition and interference with the pathogen. We propose that these ecological guidelines can be put to the test in microbiome engineering more widely in the future.

重要性 

随着对粮食供应的需求不断增长，要求更有效地控制植物疾病。益生菌（即抑制病原体的天然细菌拮抗剂和竞争剂）的使用最近重新成为农用化学品的一种有前途的替代品。然而，目前仍不清楚我们应该选择多少种菌株和哪种菌株来构建有效的益生菌群落。在这里，我们提出了一个基于群落功能的体外表征来组装有效益生菌群落的一般生态框架。具体而言，我们表明，增加益生菌群落的多样性可增强群落在自然多样化的根际微生物组中的生存能力，从而通过加强资源竞争和干扰病原体来提高对病原体的抑制。我们建议这些生态准则可以在未来更广泛地应用于微生物组工程中。

图 1 体外生物多样性-生态系统功能关系表征。（A）假单胞菌群落生态位宽度定义为假单胞菌群落中至少一个成员使用的碳源数量（有关资源的详细信息可在表 S4 中找到）。（B）假单胞菌群落与病原体的生态位重叠定义为常驻群落与病原体之间资源消耗的相似性。（C）假单胞菌群落的抗菌活性被确定为在存在假单胞菌细菌上清液的情况下病原体密度的降低；所有上清液均来自单一培养物并混合在一起以测试协同效应。

图 2 体内生物多样性-生态系统功能关系表征。（A）不同丰富度水平和不同时间点的假单胞菌群落中青枯病发病率的动态。（B）不同丰富度水平的假单胞菌群落对病原体密度动态的影响。（C）不同丰富度水平群落中的假单胞菌密度动态。面板柱表示接种病原体后 5 天、15 天、25 天和 35 天（dpi）的结果。红色虚线显示对照处理的基线。在图 A 和 B 中，红色虚线表示在没有假单胞菌的情况下的发病率和病原体密度；在图 C 中，红色虚线表示在没有引入假单胞菌的情况下天然土壤中假单胞菌特异性 phlD 基因的密度。

表 1 基因型丰富度和时间对青枯病发病率（枯萎植物的比例）以及根际病原菌和益生菌假单胞菌群落丰度的主要和交互影响的方差分析表

表 2 益生菌假单胞菌群落资源利用与病原体的生态位宽度和生态位重叠以及直接病原体抑制（毒性）对青枯病发病率（枯萎植物比例）以及根际病原体和益生菌假单胞菌群落丰度的影响的方差分析表

图3 测试病原体接种35天后假单胞菌群落丰富度与病原体密度（A）和发病率（B）之间机制联系的结构方程模型。 (A) 直接和间接（分别对应于假单胞菌群落生态位宽度和假单胞菌群落毒性）丰富度对病原体密度的影响。 (B) 发病率数据仅由直接丰富度效应解释。 两个面板中的蓝色圆圈表示解释的总方差比例。 蓝色箭头表示负相关，红色箭头表示正相关；双头虚线箭头表示不同变量之间的无向相关性（未检验假设）；灰色箭头表示不同变量之间的不显著关系。 箭头宽度表示影响的相对大小，箭头旁边的数字表示标准化相关系数（未显示不显著相关性的相对效应大小）。