赤星病發生期不同成熟度煙葉葉際微生物代謝與群落結構

劉亭亭 曾隕濤 汪漢成 蔡劉體 張長青

摘 要：為了解不同成熟度煙葉葉際微生物在代謝功能與群落組成上的差異，采用Biolog ECO代謝表型及高通量測序技術研究了赤星病發生期不同成熟度（成熟、適熟、未熟）煙葉葉際微生物代謝功能與群落結構。結果表明，3種成熟度煙葉葉際微生物在代謝功能上存在較大差異，成熟煙葉葉際微生物代謝活性最強，其次依次為適熟、未熟煙葉，其中均能高效代謝的碳源為L-天冬酰胺酸，均一般或弱代謝的碳源為2-羥基苯甲酸、L-苯基丙氨酸、α-環式糊精、γ-羥基丁酸和苯乙基胺。3種煙葉葉際優勢真菌、細菌菌門均分別為子囊菌門和變形菌門，優勢真菌屬均為鏈格孢屬、枝孢霉屬、亞隔孢殼屬和Symmetrospora，優勢細菌屬均為假單胞菌屬和鞘氨醇單胞菌屬。3種煙葉葉際真菌中，成熟煙葉葉際子囊菌門和擔子菌門相對豐度最高，且均顯著高于未熟煙葉;3種煙葉葉際細菌中，未熟煙葉的變形菌門相對豐度最高，且顯著高于適熟煙葉。3種成熟度煙葉真菌群落和細菌群落在多樣性（Shannon、Simpson）上均無顯著性差異，但成熟煙葉葉際真菌群落豐富度（ACE）最高，其次依次為適熟、未熟煙葉，且成熟煙葉顯著高于未熟煙葉。

關鍵詞：成熟度;群落結構;代謝功能;Biolog ECO;高通量測序

Abstract： This study was conducted to investigate the differences of metabolic function and community composition in the phyllosphere of tobacco brown spot leaves at different maturity stages. The technologies of Biolog ECO metabolic phenotype and high-throughput sequencing were used to analyze three different maturity level tobacco leaves （mature， proper， immaturate） during brown spot occurring season. The results showed there were significant differences in the metabolic functions of tobacco phyllosphere microorganisms from three different maturity tobacco leaves. The highest metabolic activity was found in phyllosphere miroorganism from mature tobacco leaves， followed by the proper and immaturate tobacco leaves. L-Asparagine was the only carbon source that could be effectively metabolized in all three kinds leaf samples， while 2-Hydroxybenzoic Acid， L-Phenylalanine， α-Cyclodextrin， γ-Hydroxybutyric Acid and Phenylethylamine were all moderately or poorly metabolized in the three maturity leaves samples. The dominant phyla of fungi and bacterium of tobacco leaves at three maturity stages were Ascomycota and Proteobacteria， respectively. The dominant fungal genera were Alternaria， Cladosporium， Didymella and Symmetrospora， and the dominant bacterial genera were Pseudomonas and Sphingomonas. Among the three kinds of tobacco phyllosphere fungi， the relative abundance of Ascomycota and Basidiomycota in mature tobacco leaves was the highest， and the relative abundance of mature tobacco leaves was significantly higher than that of immature tobacco leaves. Among the three kinds of tobacco phyllosphere bacteria， the relative abundance of Proteobacteria in immature tobacco leaves was the highest and significantly higher than that in proper tobacco leaves. There were no significant differences in fungal community diversity and bacterial community diversity （Shannon， Simpson） for phyllosphere microorganisms between tobacco leaves at different maturity stages. However， the phyllosphere fungal community richness （ACE） of mature tobacco leaves was the highest， followed by that of proper and immaturate tobacco leaves， and the ACE of mature tobacco leaves was significantly higher than that of immature tobacco leaves.

Keywords： maturity; community structure; metabolic function; Biolog ECO; high-throughput sequencing

煙草（Nicotiana tabacum L.）是一種重要的經濟作物，我國每年種植面積約100萬hm2，產銷量均約占世界總量的1/3[1-2]。該作物在煙葉成熟期分層落黃，下部葉片先成熟，其后為中部葉和上部葉，成熟煙葉在化學成分協調性、物理感官質量及煙葉品質上均優于適熟和未熟葉片[3]。生產上需要根據煙葉成熟度分次逐批采烤，整個采烤期可持續約50 d左右。在煙葉采烤期，常有多種真菌性和細菌性病害發生。其中，最普遍和嚴重的為煙草赤星病（Tobacco brown spot）。該病害在煙葉打頂前少有發生，主要發生于煙葉成熟期，常先侵染底部腳葉，再逐步向中上部葉片擴展，成熟期有多次侵染循環[4]。

煙葉葉際存在大量微生物[5]，已有研究發現煙葉葉際真菌有鏈格孢屬（Alternaria）、莖點霉屬（Phoma）等菌屬[6];葉際細菌有泛菌屬（Pantoea）、假單孢菌屬（Pseudomonas）等菌屬[7]。然而，這些微生物在葉際的代謝功能和種群結構是否與煙葉成熟度及病害發生間存在聯系，尚缺乏了解。Biolog ECO代謝表型技術和高通量測序技術是微生物生態學研究的主要技術，可揭示生態環境下微生物的代謝功能與群落結構，正被廣泛用于包括土壤[8]、水體[9]等多個生態環境的研究，也曾被用于揭示烘烤期煙葉霉爛病的發生災變機制[10]。因此，本文以赤星病發生期田間不同成熟度健康煙葉為研究對象，采用這2種技術，研究成熟、適熟及未熟煙葉葉際微生物代謝功能與群落結構特征，以期揭示大田赤星病發生流行季節煙葉葉際微生物生態學規律，為赤星病發生的微生態災變機制提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試煙草品種為云煙87（赤星病中抗品種[11]）。Biolog ECO代謝板（貨號：#1056），購自美國Biolog公司（USA，CA，Hayward），GeneJET膠回收試劑盒和Ion Plus Fragment Library Kit 48 rxns建庫試劑盒，均購自Thermo Scientific公司。

1.2 樣品采集

于2020年7月15日，在貴州省晴隆縣赤星病發病煙田取不同成熟度健康煙葉（肉眼可見無葉斑部分，但是植株有感赤星病）樣品15 g，裝入50 mL無菌離心管中，3組樣品分別編號為QL1（成熟，從下向上第3葉位）、QL2（適熟，第6葉位）、QL3（未熟，第9葉位），每處理3次重復，成熟度的劃分參照生產實踐和文獻[12-13]。成熟煙葉樣品編號為QL11、QL12、QL13，適熟樣品編號為QL21、QL22、QL23，未熟樣品編號為QL31、QL32、QL33。樣品采集后放入低溫保存箱，并迅速帶回實驗室。5 g煙葉樣品用于Biolog ECO代謝功能研究;10 g樣品保藏于?80 ℃冰箱，用于葉際微生物群落結構和多樣性研究。

1.3 不同成熟度煙葉葉際微生物代謝功能分析

分別取3種成熟度煙葉混合樣1 g，置于盛有50 mL 0.8%無菌生理鹽水的100 mL三角瓶中，28 ℃下180 r/min振蕩搖培2 h，靜置30 min，取100 μL上清液依次加入到ECO代謝板[14]。接菌后的ECO代謝板置于OmniLog恒溫培養箱，28 ℃培養7 d，采用Biolog D5E_OKA_data.exe軟件收集葉際微生物代謝孔內顏色變化值，根據顏色變化值，分析其代謝功能。

1.4 不同成熟度煙葉葉際微生物群落結構和多樣性分析

采用CTAB法[15]進行微生物基因組DNA的提取，樣品DNA純度和濃度用瓊脂糖凝膠電泳檢測。將提取的DNA置于離心管中，并用無菌水稀釋至濃度為1 ng/μL，以此為模板，使用引物ITS1-5F-F（5′-GGAAGTAAAAGTCGTAACAAGG-3′）、ITS1-1F-R（5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′）與515F（5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′）、806R（5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′）分別對真菌ITS1區域與細菌V4區域進行擴增。參照文獻[7，10]的方法進行多樣性測序與分析，真菌和細菌分別通過Unit（7.2）和SILVA132的SSUrRNA數據庫進行注釋，分析在北京諾禾致源科技股份有限公司完成。

1.5 數據統計與分析

使用Excel 2019進行數據處理，采用DPS 7.5軟件對試驗數據進行單因素方差分析，應用LSD（Least Significant Difference）法進行差異顯著性檢驗。

2 結 果

2.1 不同成熟度煙葉葉際微生物代謝功能

不同成熟度煙葉葉際微生物代謝活性間有較大差異，葉際微生物高效代謝碳源種類數量最多的為成熟煙葉（QL1，25種），其次依次為適熟煙葉（QL2，17種）和未熟煙葉（QL3，1種）（表1）。3種成熟度煙葉葉際微生物均能強代謝的碳源有1種，為氨基酸類的L-天冬酰胺酸（L-Asparagine）;代謝活性一般或弱的碳源有5種，分別為酚類的2-羥基苯甲酸（2-Hydroxy Benzoic Acid）、氨基酸類的L-苯基丙氨酸（L-Phenylalanine）、聚合物類的α-環式糊精（α-Cyclodextrin）、羧酸類的γ-羥基丁酸（γ-Hydroxybutyric Acid）、胺類的苯乙基胺（Phenylethyl-Amine）。成熟煙葉（QL1）葉際微生物特有的代謝活性強的碳源有9種，包括L-精氨酸（L-Arginine）、D-木糖（D-Xylose）與I-赤蘚糖醇（I-Erythritol）等;適熟煙葉（QL2）葉際微生物特有的代謝活性強的碳源有1種，為D，L-α-甘油（D，L-α-Glycerol）;未熟煙葉（QL3）無特有代謝活性強的碳源。

2.2 不同成熟度煙葉葉際微生物群落結構與多樣性

2.2.1 測序深度分析 采用隨機的方式抽取數據，以隨機抽取的有效序列數（Sequences Number）為橫坐標，以OTU數目（OTU Number）為縱坐標，構建稀釋曲線，從圖1中可以看出隨著測序數目的增加，所有樣品的稀釋曲線漸漸趨于平緩，說明測序深度已充足，測序數可以覆蓋樣品里的大部分真菌、細菌。

2.2.2 數據質控分析 以97%一致性（Identity）將測序序列聚類成OTUs，分別與數據庫Unit和數據庫SSUrRNA比對，進行物種注釋，能夠注釋到真菌數據庫的OTUs數目為49（100.00%），注釋到界、門、綱、目、科、屬、種水平的比例分別為100.00%、55.10%、55.10%、55.10%、50.00%、46.90%、30.60%，共鑒定出真菌的2個門、21個屬和15個種。能夠注釋到細菌數據庫的OTUs數目為115（96.6%），注釋到界、門、綱、目、科、屬、種水平的比例分別為96.60%、81.50%、75.60%、71.40%、64.70%、58.00%、27.70%，共鑒定出細菌的10個門、47個屬和33個種。

2.2.3 不同成熟度煙葉葉際微生物群落Alpha多樣性 結果表明（表2），真菌和細菌群落的覆蓋度指數均達到0.85以上，表明測序數據合理，可以真實、合理地反映微生物群落多樣性。ACE指數反映群落豐富度，成熟煙葉（QL1）真菌群落ACE指數顯著高于未熟煙葉（QL3）（p<0.05）;不同成熟度煙葉細菌群落ACE指數間無顯著性差異。Simpson和Shannon指數反映群落多樣性，不同成熟度煙葉葉際真菌群落、細菌群落間均無顯著性差異（p>0.05）。

2.2.4 不同成熟度煙葉葉際微生物群落結構 在門水平，不同成熟度煙葉真菌的優勢菌門均為子囊菌門（Ascomycota），其中成熟煙葉（QL1）的子囊菌門相對豐度顯著高于適熟（QL2）與未熟煙葉（QL3），成熟煙葉（QL1）的擔子菌門相對豐度顯著高于未熟煙葉（QL3）（表3）。在屬水平，3種成熟度煙葉均有的主要菌屬有亞隔孢殼屬（Didymella）、鏈格孢屬、枝孢霉屬（Cladosporium）及Symmetrospora。莖點霉屬、尾孢屬（Cercospora）及Symmetrospora，其豐度隨著成熟度增加而增加。成熟煙葉優勢真菌屬（≥1.00%）有Albifimbria（7.81%）與小不整球殼屬（4.69%）等10種菌屬;適熟煙葉的優勢菌屬（≥1.00%）有亞隔孢殼屬（5.21%）與鏈格孢屬（3.13%）等7種菌屬;未熟煙葉的優勢菌屬（≥1.00%）有亞隔孢殼屬（5.73%）與鏈格孢屬（1.56%）等6種菌屬。成熟煙葉獨有的菌屬有Albifimbria（7.81%）與小不整球殼屬（4.69%）等5種，適熟煙葉獨有的菌屬有派倫霉屬（Peyronellaea，1.04%）、Paraphaeosphaeria（1.04%）、蒼白尾孢屬（Pallidocercospora，0.52%）;未熟煙葉無特有菌屬真菌。除莖點霉屬、小不整球殼屬（Plectosphaerella）外，其余菌屬豐度在不同成熟度煙葉間無顯著性差異。原始測序數據均上傳至GenBank（BioProject ID：PRJNA783754;Biosample accession：SUB10724066）。

在門水平，不同成熟度煙葉細菌的優勢菌門均為變形菌門（Proteobacteria），未熟煙葉（QL3）變形菌門相對豐度顯著高于適熟煙葉（QL2）（表4）。成熟煙葉（QL1）樣品特有菌門有7種，為擬桿菌門（Bacteroidetes，0.16%）、綠彎菌門（Chloroflexi，0.11%）等，適熟煙葉QL2和未熟煙葉QL3無特有菌門。在屬水平，不同成熟度煙葉均有的優勢菌屬為假單胞菌屬、鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）。成熟煙葉QL1優勢菌屬（≥0.50%）為假單孢菌屬（1.17%）、鞘氨醇單胞菌屬（1.00%）和Romboutsia（0.88%）等5種菌屬;適熟煙葉QL2優勢菌屬（≥0.50%）為鞘氨醇單胞菌屬（0.93%）和假單孢菌屬（0.52%）;未熟煙葉QL3優勢菌屬（≥0.50%）為未分類的根瘤菌科（unidentified Rhizobiaceae，2.46%）與假單孢菌屬（2.34%）等6種菌屬。成熟煙葉特有菌屬為Romboutsia（0.88%）、Ammoniphilus（0.53%）、節細菌屬（Arthrobacter，0.39%）等14種菌屬;適熟、未熟煙葉無特有菌屬。在3種成熟度煙葉中，未熟煙葉（QL3）未分類的根瘤菌科、泛菌屬、寡養單胞菌屬（Stenotrophomonas）和黃桿菌屬（Xanthomonas）的相對豐度顯著高于適熟煙葉（QL2）和成熟煙葉（QL1），其中假單胞菌屬相對豐度顯著高于適熟煙葉（QL2）。原始測序數據均上傳至GenBank（BioProject ID：PRJN697842;Biosample accession：SAMN17673832）。

3 討 論

碳源是微生物生命活動的基礎，利用Biolog ECO代謝表型技術可以反映生態環境中所有微生物對31種常見碳源的代謝能力，進而反映環境微生物定殖的營養需求特性。本文發現赤星病發生期不同成熟度健康煙葉葉際微生物均可高效代謝L-天冬酰胺酸，均較弱代謝2-羥基苯甲酸和L-苯基丙氨酸等碳源。有報道發現2-羥基苯甲酸可誘導植物激活抗病基因，提高植株的抗真菌、細菌能力[16]。為此，推測L-天冬酰胺酸為有利于健康煙葉葉際微生物定殖的有益碳源，2-羥基苯甲酸等碳源則與之相反，為非有益碳源。這些能被高效代謝的碳源是否存在于葉際，是否為煙葉葉際分泌物，與葉際微生物間定殖的關系如何，是否可以通過添加有益碳源或非有益碳源來調控煙葉葉際微生物菌群或減輕病害發生，等，有待下一步研究與驗證。此外，不同成熟度煙葉葉際微生物代謝特征存在較大差異，葉際微生物高效代謝碳源種類數量為成熟煙葉（25種）>適熟煙葉（17種）>未熟煙葉（1種），可能為不同成熟度煙葉葉際的營養物質間存在差異所致;也可能為不同成熟度煙葉葉際微生物的種群和數量間的差異所致，均有待下一步深入研究。

了解病害發生和危害期葉際微生物群落結構是葉部病害災變規律研究的基礎，已有諸多關于赤星病煙葉組織葉際微生物群落結構的報道。劉暢等[6-7]報道了田間感赤星病煙葉組織的優勢真菌有鏈格孢屬、莖點霉屬、枝孢霉屬等;優勢細菌有為泛菌屬、假單胞菌屬、鞘氨醇單胞菌屬等。向立剛[17]等報道了赤星病感病和健康烤后煙葉組織的優勢真菌有鏈格孢屬、紅酵母屬（Rhodotorula）。相比而言，本文分析了赤星病發生期田間不同成熟度健康煙葉組織的微生物群落結構，雖然取樣組織和時期不同，但均發現煙葉葉際優勢真菌鏈格孢屬及優勢細菌假單胞菌屬和鞘氨醇單胞菌屬。為此，推測這些真菌及細菌為煙葉葉際優勢微生物種群。同時，這些微生物中，鏈格孢屬、莖點霉屬、亞隔孢殼屬均被報道能引起煙草葉斑類病害[18-20]，推測它們為煙葉葉際核心病原菌種群，在赤星病發生后，這些病原菌因共生可引起復合侵染。本文煙葉樣品采集期為赤星病發生期，發現鏈格孢屬真菌（赤星病病原菌）豐度在3種成熟度煙葉上均較高且無顯著差異，而成熟煙葉的莖點霉屬和小不整球殼屬相對豐度顯著高于適熟和未熟煙葉，未熟煙葉上未分類的根瘤菌科、泛菌屬、寡養單胞菌屬等菌屬的相對豐度顯著高于適熟和成熟煙葉，結果進一步揭示了病害發生期葉際主要病原的空間分布規律。此外，本文發現成熟煙葉葉際真菌豐富度指數顯著高于未熟煙葉，且成熟煙葉葉際特有真菌種類也高于適熟、未熟煙葉樣品，如Albifimbria、Pantospora及小不整球殼屬等。其差異原因，可能與不同成熟度煙葉在糖、煙堿、淀粉等化學成分含量上均存在差異[21]有關，成熟葉片的化學成分、葉片分泌物、葉片結構等可能更有利于更多微生物定殖的相關假說有待進一步驗證。

4 結 論

本文基于Biolog ECO代謝表型技術及高通量測序技術研究了赤星病發生期不同成熟度（成熟、適熟、未熟）煙葉葉際微生物代謝功能與群落結構差異，發現成熟煙葉葉際微生物代謝功能和葉際真菌群落豐富度（ACE）最高，其次依次為適熟煙葉、未熟煙葉;煙葉真菌群落和細菌群落在多樣性（Shannon、Simpson）上均無顯著性差異。3種成熟度煙葉葉際優勢真菌、細菌菌門均分別為子囊菌門和變形菌門;優勢真菌屬均為鏈格孢屬、枝孢霉屬、亞隔孢殼屬和Symmetrospora，優勢細菌屬均為假單胞菌屬和鞘氨醇單胞菌屬。3種煙葉葉際真菌中，成熟煙葉葉際子囊菌門和擔子菌門相對豐度最高，其次依次為適熟、未熟煙葉，且成熟煙葉均顯著高于未熟煙葉;3種煙葉葉際細菌中，未熟煙葉的變形菌門相對豐度最高，且顯著高于適熟煙葉。

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