ISME|沈其荣院士团队最新研究表明土壤细菌挥发性有机物可减弱青

期刊：The ISME Journal 

影响因子：11.217

客户单位：南京农业大学

一、整体概述

本研究作者针对植物致病菌青枯雷尔氏菌（Ralstonia solanacearum）开展了相关实验，研究了其是如何适应生物防治解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）T-5细菌产生的VOC混合物，并进一步探究了这些适应是如何影响其毒性的。研究结果揭示了微生物VOCs是细菌进化的重要驱动因素，可能被用于生物防治，通过进化权衡来选择毒性较低的病原体。

二、实验设计

图 实验设计示意图

三、主要内容

1、VOC的暴露降低了青枯雷尔氏菌的种群密度，并选择增加对VOC的耐受性

研究结果表明VOC暴露明显降低了茄属植物的种群密度，浓度越高，影响越严重（图2）。进一步比较植物病原体青枯雷尔氏菌在没有VOC混合物时以及存在三种不同浓度的VOC混合物时的种群密度动态，结果表明进化的H-VOC无性系相对于祖先无性系和无VOC无性系表现出更高的VOC耐受性，当VOC浓度较高时，这种差异更大（图3）。

图2 植物病原体青枯雷尔氏菌在没有VOC混合物时以及存在三种不同浓度的VOC混合物时的种群密度动态 图3 对照（No-VOC）和H-VOC处理后的青枯菌与原始菌对VOCs混合物和五种纯VOC（苯并噻唑、壬酮、十一醛、十七烷和油酸）以三种抗生素（硫酸多粘菌素B、红霉素和利福霉素）的耐受性

2、对VOC的耐受性导致了需要在青枯菌的生长和毒力之间权衡利弊

与原始无性系相比，H-VOC无性系和No-VOC无性系的最大生物量和生长曲线下面积均有所增加，生长迟滞期缩短（图4a）。然而，与无VOC无性系相比，进化出的H-VOC无性系表现出较低的生长速率和较长的滞后期，这表明生长成本与VOC耐受性有关。此外，除生长速率和滞后时间外，所有毒力性状之间均呈正相关，而与大多数生长性状呈负相关，表明生长与毒力之间存在平衡关系（图5）。

图4 VOC耐受性的演变导致与青枯雷尔氏菌毒性的权衡 图5 VOC耐受性的演变导致与青枯雷尔氏菌毒力的权衡

3、VOC耐受性和毒性降低的遗传基础

对No-VOC和H-VOC处理的所有表型克隆进行测序，测序结果只获得了少量的突变（图6a）。在遗传水平上，这些表型的变化与编码脂多糖O-抗原（wecA）和4型菌毛生物合成（pilM）的基因的平行突变有关，这两个基因都与外膜对抗生素的渗透性和植物病原体的毒力有关。

图6 对VOC的耐受性与脂多糖和四型菌毛编码基因的平行突变有关

4、经过基因工程改造的pilM和wecA突变体对VOC和抗生素的耐受性增加，但毒性降低

反向遗传工程显示，这两个突变都很重要，其中pilM对毒力的负面影响相对较大，而wecA对增加抗生素耐受性的影响相对较大（图7）。在VOC选择下平行进化的pilM和wecA突变都对提高抗菌耐受性和降低毒力有影响，可能与H-VOC无性系具有协同、互作效应。

图7 进化的单克隆以及ΔpilMiG和ΔwecAiC突变体对VOC和抗生素的耐受性比较 图8 进化的单克隆和ΔpilMiG和ΔwecAiC突变体在体外和体内的毒力特征比较

四、研究结论

综上，本研究结果表明VOC胁迫使青枯菌对VOC的耐受性明显增强，同时对几种常见土壤细菌产生的抗生素的耐受性也显著增强。VOC耐受性的提高使青枯菌重新权衡生存与致病，导致青枯菌的毒性特征减弱、致病能力降低。在遗传水平上，这些表型变化与编码脂多糖O-抗原（wecA）和IV型菌毛生物合成（pilM）基因的突变有关。 

参考文献

Bacterial volatile organic compounds attenuate pathogen virulence via evolutionary trade-offs. The ISME Journal, 2023.

DOI:10.1038/s41396-023-01356-6