全球土壤宏基因组揭示优势植物细菌病原菌的分布及其自然抑制研究论文● 期刊Nature Communications(IF:15.7)● DOIhttps://doi.org/10.1038/s41467-026-70233-5●原文链接: https://www.nature.com/articles/s41467-026-70233-5● 第一作者Min Gao1高敏● 通讯作者Manuel Delgado-Baquerizo2and Brajesh K. Singh1,3● 发表日期2026-3-6● 主要单位1Hawkesbury Institute for the Environment, Western Sydney University, Penrith, NSW, Australia2Laboratorio de Biodiversidad y Funcionamiento Ecosistémico, Instituto de Recursos Naturales y Agrobiología de Sevilla (IRNAS), CSIC, Seville, Spain3School of Agriculture and Environment, The UWA Institute of Agriculture, University of Western Australia, Perth, WA, Australia摘要Abstract土壤中包含各种各样植物病原菌这些病原菌的存在影响全球粮食生产和生态系统功能。然而一些特定土壤也存在对这些病原菌的抑制能力。了解全球范围内哪些植物病原菌占据主导地位以及识别哪些特定土壤特性能够降低这些病原菌的丰度对于实现农业可持续具有重要意义。本研究整合了来自 59个国家的1602个土壤宏基因组数据集包含200个全球标准化采集样品识别了 32种优势植物细菌病原菌其中包括 Ralstonia solanacearum、Clavibacter michiganensis 和 Streptomyces europaeiscabiei 等。病原菌的丰度在温暖的生态系统以及农业土壤中较高在具有较高的土壤微生物多样性和有机碳含量以及较冷的气候条件病原菌丰度较低。此外土壤具体性质包括非致病 Streptomyces 物种、丛枝菌根真菌AMF以及编码萜类terpenes和多酮类polyketides的生物合成基因簇等与病原菌丰度降低显著相关。预测模型表明在未来气候变化情景下某些优势植物细菌病原菌的流行程度可能会进一步增加尤其是在热带和亚热带地区。通过识别全球尺度上植物细菌病原菌的驱动因素及其自然抑制机制本研究为在气候变化背景下改进植物病害风险监测与管理提供了重要基础。背景Background植物病原菌引起的植物病害会显著降低全球初级生产力并威胁粮食安全。在农业系统中这些病原菌直接导致作物减产在自然生态系统中它们的增加会降低生态系统功能从而影响生物多样性和生态系统碳储存。尽管土壤是植物病原菌最大的储存库但土壤也具有天然抑制病原菌的能力。这种抑制作用通常由环境条件和微生物群落共同调控。理解植物病原菌在全球不同土壤中的分布以及它们与共存微生物群落之间的相互作用识别哪些环境和微生物因素能够促进或抑制病原菌的丰度至关重要。本研究整合了1402个公共数据库土壤宏基因组以及200个全球标准化采样样品共计 1602个土壤宏基因组数据。研究目标包括识别全球土壤中优势细菌性植物病原菌的分布识别与病原菌抑制相关的环境条件、微生物多样性及微生物功能预测当前和未来气候条件下病原菌的全球分布。本研究整合了宏基因组分析病原菌基因组扩增子测序qPCR 数据和机器学习和预测模型。此外本研究还进行了温室实验验证了土壤微生物多样性对病原菌的抑制作用。结果Results全球植物细菌病原菌的分布首先我们构建了一个包含310个高质量基因组的综合细菌植物病原菌数据库并利用全球土壤宏基因组数据集评估这些病原菌在全球土壤中的相对丰度。在分析中共识别出107个潜在植物病原菌类群根据其出现频率在≥80%的样品中检测到以及相对丰度位于前30%且平均相对丰度≥0.1%筛选出32个优势病原菌物种图1。这些优势病原菌包括来自Streptomyces、Rhodococcus、Agrobacterium、Clavibacter、Ralstonia、Burkholderia、Paracidovorax、Pseudomonas和Xanthomonas等属的多个物种。这些属中的多个物种均已被证实能够在不同生态系统中引起多种植物病害。例如Ralstonia solanacearum是细菌性青枯病的病原菌由于其菌株多样性丰富、寄主范围广泛以及对植物生产力具有显著的负面影响被认为是全球破坏性第二大的细菌性植物病原菌之一。此外我们还发现Streptomyces物种即S. europaeiscabiei、S. acidiscabies、S. turgidiscabies和S. scabiei在优势病原菌中排名较高这一类群与马铃薯疮痂病密切相关。这些Streptomyces物种能够适应多种环境条件尤其是它们能够以孢子形式在土壤中长期存活并具有较强的扩散能力这些特征很可能促成了其在全球土壤中的优势地位。比较基因组分析进一步表明与非优势病原菌相比优势病原菌物种基因组中与信号传导和细胞过程相关的基因显著富集尤其是参与糖转运系统、能量代谢和碳水化合物代谢的基因。这些基因在细胞通讯和细胞功能中发挥重要作用能够调控细胞生长及其相互作用而这些过程对于微生物适应复杂生态环境至关重要。我们进一步评估了数据库中识别的关键病原菌在全球土壤中的分布是否与其独立的全球观测数据一致。相关性分析结果表明在我们的数据集中Ralstonia solanacearum 的相对丰度与该病原菌在独立全球观测资源中的记录呈显著正相关rho 0.44P 0.0228个国家图2。同样Clavibacter michiganensisrho 0.42P 0.0047、Robbsia andropogonisrho 0.61P 0.0058以及 Xanthomonas translucensrho 0.53P 0.0066的相对丰度也与 EPPO 全球数据库中各国记录的观测数据呈显著正相关。这些国家尺度的相关性结果表明我们通过宏基因组数据库推断得到的病原菌相对丰度格局与独立的全球监测记录高度一致从而支持了我们对病原菌丰度估计的可靠性。如果未来能够通过真实农田数据在地方和区域尺度进一步验证这些结果本研究提出的分析框架有望为建立更有效的病害监测系统提供支持从而实现更加及时和精准的病害管理与防控策略。总体而言本研究揭示了全球范围内优势细菌性植物病原菌的分布格局并加深了我们对其生态分布特征的认识。图1 | 优势土传细菌植物病原菌的分布a不同优势病原菌随机森林分析的解释变异%。b不同生态系统中优势细菌性植物病原菌的相对丰度。c随机森林分析和 Spearman 相关分析。土壤细菌性植物病原菌的热点分布我们进一步探究了促进细菌性植物病原菌在全球范围内分布的环境条件。结果显示这些病原菌在不同陆地土壤生态系统中表现出明显差异其相对丰度在农田土壤中显著高于其他土地利用类型图2。这一结果表明受到农业管理措施影响的土壤如单一作物种植和农用化学品的使用相比自然生态系统土壤可能更有利于病原菌的积累。尤其是假单胞菌属Pseudomonas中的多种病原菌包括 P. corrugata、P. fuscovaginae、P. marginalis、P. mediterranea 和 P. palleroniana以及 Pectobacterium carotovorum在农田中的丰度明显更高超过50%。这些结果表明农业管理方式可能在塑造细菌性植物病原菌的丰度和空间分布方面发挥重要作用。随机森林分析进一步表明年平均气温MAT是影响多数优势病原菌相对丰度的重要因素32种中有29种受到显著影响。尽管不同病原菌对MAT的响应存在差异但总体上气温升高会促进病原菌总体丰度的增加。这种趋势可能与温度升高导致病原菌潜伏期缩短以及宿主植物生长季延长有关。相比之下年平均降水量MAP对不同病原菌类群的影响存在差异。例如Streptomyces 属和 Clavibacter michiganensis 与MAP呈负相关关系而 Rhizobium rhizogenes、Burkholderia 属、Ralstonia solanacearum以及 Xanthomonas 属则与MAP呈正相关关系。这些结果表明不同病原菌在水分条件方面具有不同的生态偏好从而形成基于水分可利用性的生态位分化。总体而言我们的研究表明温暖的生态系统和农田环境在全球范围内支持了较高水平的土壤细菌性植物病原菌丰度。图2 | 优势细菌性植物病原菌的全球分布格局及环境驱动因子a全球不同生态系统中优势植物病原菌的相对丰度RPM。b细菌性植物病原菌的相对丰度与其已报道的全球分布呈正相关关系。c结构方程模型SEM分析。土壤病原菌抑制的生态机制本研究进一步评估了哪些土壤性质和环境条件与降低病原菌相对丰度相关。相关性分析表明寒冷的生态系统以及具有较高有机碳OC含量、较细土壤质地和较高微生物多样性的土壤通常表现出较低的病原菌相对丰度图1c。为了进一步阐明驱动这些模式的生态途径我们用可利用的环境数据开展了结构方程模型SEM分析。结果表明MAP对植被以NDVI表示具有直接的正向影响而植被增加进一步促进微生物多样性最终降低病原菌的相对丰度图2。相关性分析与SEM结果同时表明在全球尺度上具有较高微生物多样性、较寒冷气候、较细土壤质地以及较高土壤有机碳含量的地区通常表现出更低的病原菌相对丰度图1和图2。总体而言本研究表明在陆地生态系统中较高的微生物多样性以及特定的土壤性质与较降低细菌性植物病原菌丰度密切相关。为了进一步验证土壤微生物多样性与病原菌抑制之间的关系我们利用宏基因组测序和扩增子测序数据对微生物多样性进行了量化并通过温室实验人为调控土壤微生物多样性进行验证。首先我们基于1602个宏基因组样本分别评估了微生物分类多样性基于Kraken2数据库和功能多样性基于KEGG数据库并分析其与细菌性植物病原菌相对丰度之间的关系。对于200个全球标准化采样样本我们利用16S qPCR测定土壤细菌总丰度并通过扩增子测序分析细菌和真菌群落多样性以进一步探究其与病原菌之间的关系。结果显示无论是Kraken2估计的微生物物种多样性还是KEGG估计的功能多样性均与优势细菌性植物病原菌的总相对丰度呈显著负相关Kraken2rho −0.051P 0.039KEGGrho −0.13P 2.44 × 10⁻⁷n 1602图3。同时扩增子测序数据得到的细菌和真菌多样性指数也与细菌性植物病原菌的总相对丰度呈显著负相关细菌rho −0.20P 0.006真菌rho −0.18P 0.013n 200图3。图3 | 与抑制病原菌丰度有关的微生物多样性、特定类群及潜在代谢特征a基于 shotgun 宏基因组数据n 1602的分析显示细菌性植物病原菌的相对丰度与土壤微生物多样性Kraken 2 数据库的 Shannon 指数和功能多样性KEGG 数据库的 Shannon 指数均呈负相关。 b基于扩增子测序数据n 200的分析显示细菌性植物病原菌的相对丰度与细菌/真菌多样性Shannon 指数呈负相关。 c温室实验证实接种病原菌 S. scabiei 和 R. solanacearum 的绝对丰度基于 qPCR随微生物多样性增加而降低。d细菌性植物病原菌的相对丰度与土壤细菌丰度通过 16S qPCR 测定n 200呈负相关。e细菌性植物病原菌的相对丰度与土壤中非致病性 Streptomyces spp. 的丰度呈负相关分类信息来自 Kraken 2 数据库。 f丛枝菌根真菌和地衣化真菌在内的真菌功能类群通过 FUNGuild 鉴定与病原菌丰度呈负相关。 g细菌性植物病原菌的相对丰度与 antiSMASH 数据库鉴定的生物合成基因簇BGCs呈负相关。为了在实验条件下验证这一模式本研究进一步构建不同微生物多样性梯度的土壤并将其培养六个月后引入病原菌进行短期监测。在该验证实验中我们选择了两种具有不同感染方式和生态偏好的代表性优势病原菌Streptomyces scabiei偏好干燥土壤的坏死营养型病原菌和 Ralstonia solanacearum偏好湿润环境的维管束萎蔫病原菌以评估在早期入侵阶段不同生态策略的病原菌是否都表现出一致负相关的多样性—病原菌关系。通过病原菌qPCR定量发现随着土壤微生物多样性的增加病原菌丰度显著降低图3为微生物多样性与病原菌早期入侵之间的负相关关系提供了实验支持。尽管类似的多样性—病原菌关系在其他病原菌的盆栽或小区实验中已有报道但仍需要纳入更多病原菌类群的研究以检验这一关系的普遍性。此外在全球标准化调查数据中我们还观察到土壤细菌总丰度通过16S qPCR测定与细菌性植物病原菌相对丰度之间存在显著负相关关系rho −0.30P 2.529 × 10⁻⁵进一步支持了微生物多样性和细菌丰度增加能够降低病原菌丰度和病害发生的观点。具有较高微生物多样性和生物量的土壤往往能够促进微生物之间复杂的生态相互作用包括竞争、捕食、共生和寄生等从而限制病原菌的优势地位。总体而言本研究在全球尺度上提供了证据并通过温室实验加以验证表明较高的土壤微生物多样性和细菌丰度与较低的细菌性植物病原菌丰度密切相关。这些结果强调通过农业和土地管理措施提升土壤微生物多样性和生物量对于维持生态系统服务功能包括抵御植物病原菌具有重要意义。与土壤病原菌抑制相关的微生物类群及潜在代谢特征鉴于土壤微生物多样性在塑造病原菌流行格局中的重要作用我们进一步分析了土壤微生物群落中与降低病原菌丰度相关的特定微生物类群。基于Kraken2数据库识别的9619个细菌类群进行相关性分析后发现共有526个类群与优势病原菌总相对丰度呈显著负相关阈值为rho −0.2p 0.0001。在这些负相关类群中放线菌门Actinomycetota和厚壁菌门Bacillota占据主导地位分别占所有负相关类群的34.6%和16.5%。其中非致病的Streptomyces属物种的相对丰度与病原菌丰度呈显著负相关rho −0.08p 0.00195图3这一结果与其已知能够产生多种抗生素和次级代谢物以抑制植物病原菌的能力相一致。除细菌群落外我们还发现若干真菌功能类群与病原菌流行程度呈负相关包括丛枝菌根真菌Arbuscular Mycorrhizal fungirho −0.17P 0.017和地衣化真菌lichenized fungirho −0.17P 0.017。这些真菌类群同时与土壤细菌和真菌多样性及丰度的显著增加相关。总体而言在不同生态环境中较低的病原菌丰度往往与多种微生物特征相关包括具有拮抗作用的细菌类群以及具有共生功能的有益真菌。为了进一步支持这些发现本研究继续分析了与抑制病原菌相关的潜在微生物代谢特征。利用antiSMASH数据库对宏基因组数据进行注释以评估编码微生物次级代谢物的生物合成基因簇BGCs与病原菌丰度之间的关系。结果表明编码萜类化合物terpenesrho −0.11p 6.063 × 10⁻⁶和Type III多酮合酶type III polyketide synthasesT3PKSrho −0.10p 2.494 × 10⁻⁵的基因簇与病原菌丰度呈最强的负相关关系图3。萜类化合物是自然界中最大的一类天然产物之一广泛由细菌和真菌产生尤其是在Streptomycetaceae成员中十分常见并已被证明具有显著的抗菌活性包括影响细胞呼吸和破坏细胞膜结构。多酮类化合物同样是一类具有广泛抗菌活性的天然产物在本研究数据中也与病原菌丰度显著负相关并被广泛报道参与由Bacillus、Paenibacillus、Trichoderma和Flavobacterium等微生物介导的病害抑制过程。除了萜类和T3PKS之外编码吲哚类化合物indole、ranthipeptides以及NRPS-like化合物的生物合成基因簇也与部分优势病原菌的相对丰度呈负相关关系。总体而言这些结果揭示了在全球尺度上与土壤抑病能力相关的关键微生物类群及其次级代谢潜力并表明这些微生物特征和生物合成基因簇可能成为指示土壤病原菌风险降低的重要候选指标。气候变化背景下细菌性植物病原菌的扩张风险在识别了当前病原菌热点区域及其与土壤病原菌抑制相关的生态驱动因素之后我们进一步预测了在全球变化情景下优势细菌性植物病原菌的潜在分布格局。通过整合关键环境变量我们构建了全球土壤中当前和未来病原菌分布的预测模型该模型能够解释病原菌流行程度空间变异的64–77%。分析结果表明病原菌在高温地区表现出较高的流行程度尤其集中在南美洲北部、北非以及南亚地区图4。未来气候情景预测特别是在全球变暖条件下这些区域不仅可能出现更高的病原菌相对丰度同时在北亚地区还可能形成新的病原菌热点。这种潜在扩张趋势与真菌植物病原菌在全球变化情景下预计将增强的趋势相一致。Streptomyces europaeiscabiei 是一种在干旱地区占优势的病原菌目前已分布于所有大陆在非洲、澳大利亚、北美洲西南部以及亚洲西南部地区的相对丰度较高。预测模型显示该物种未来可能向北亚地区扩张表明其分布范围可能发生变化同时其优势程度也可能增加。类似地偏好湿润环境的 Ralstonia solanacearum 目前主要分布在赤道附近地区包括南亚、南美洲北部、澳大利亚北部、北美洲东部以及中非地区。未来气候情景预测表明该病原菌在赤道附近区域的优势程度可能进一步增加。总体而言我们的预测结果表明在未来气候变化条件下全球大部分地区的优势细菌性植物病原菌可能进一步增加。这些结果不仅揭示了细菌性植物病原菌当前和未来的全球分布格局也为未来在区域和地方尺度开展实证研究提供了基础并有助于建立在全球变化背景下的病害监测和风险评估框架。图4 | 优势细菌植物病原菌当前及未来的全球分布预测总体来看本研究结果对未来研究以及植物病害风险的监测与管理具有重要意义。未来的研究需要进一步评估本研究识别的全球尺度驱动因素如何与地方尺度因素如土地利用方式、作物管理措施〔例如抗病品种和轮作制度〕以及区域社会经济条件相互作用从而共同影响病害的发生与发展。虽然本研究主要关注病原菌的优势性及其抑制机制但未来一个重要研究方向是进一步预测病原菌优势程度与其毒力和病害严重程度之间的关系。此外建立与当地生态条件相适应的阈值指标例如土壤微生物多样性水平、关键微生物类群如非致病的Streptomyces的丰度或特定生物合成基因簇的存在情况将有助于开发实用的土壤抑病指标体系。这些指标可为建立更有效的病害监测系统以及制定针对性的干预措施包括微生物接种剂或基于代谢物的防控策略提供重要依据从而在农业和自然生态系统中降低病害风险。总体而言本研究深化了我们对决定病原菌分布的生态过程的认识并为开发更有效的监测工具、管理策略以及未来研究方向奠定了基础以减轻土传细菌性病害对全球粮食生产和生态系统功能的影响。作者简介高敏第一作者高敏2022年博士毕业于中国科学院微生物研究所就读期间获得中国科学院院长优秀奖国家奖学金郑儒永黄河特别奖等荣誉。现于西悉尼大学 Hawkesbury Institute for the Environment 从事研究工作主要关注植物病原菌、微生物生态、植物-微生物互作以及土壤和植物微生物组。其研究结合宏基因组、扩增子、生态分析与实验验证聚焦病原菌侵染后的土壤和植物微生物组功能变化、土壤病原菌的全球分布、自然抑病机制及气候变化背景下病原菌的潜在分布变化。以第一作者身份在 Nature Communications、Microbiomehighly-cited、Molecular Ecology 等期刊发表 论文。Google scholarhttps://scholar.google.com/citations?userFTXhZykAAAAJhlen宏基因组推荐4月10-12日微生物组-扩增子16S分析5月8-10日微生物组-宏基因组分析本公众号现全面开放投稿希望文章作者讲出自己的科研故事分享论文的精华与亮点。投稿请联系小编微信号yongxinliu 或 meta-genomicsiMeta高引 fastp PhyloSuite ImageGP2 iNAP2 ggClusterNet2iMeta工具 SangerBox2 美吉2026 OmicStudio Wekemo OmicShareiMeta综述 高脂饮食菌群 发酵中药 口腔菌群 微塑料 癌症 宿主代谢10000扩增子EasyAmplicon 比较基因组JCVI 序列分析SeqKit2 维恩图EVenniMetaOmics高引 猪微生物组 16S扩增子综述 易扩增子(EasyAmplicon)系列教程微生物组入门 Biostar 微生物组 宏基因组专业技能学术图表 高分文章 生信宝典 不可或缺的人点击阅读原文