韋中：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教授,、博士生導(dǎo)師,、熱心腸智庫(kù)專家

韋中，現(xiàn)為南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教授,，博士生導(dǎo)師,，主要從事微生態(tài)與根際健康研究。發(fā)現(xiàn)作物苗期根際菌群結(jié)構(gòu)和功能特征決定著作物土傳病害的發(fā)生,，明確田間根際菌群管理的重要性,；揭示了菌群相互競(jìng)爭(zhēng)的制衡關(guān)系有利于抵御病原菌的入侵，并建立了高效預(yù)測(cè)抑病能力的菌群競(jìng)爭(zhēng)互作網(wǎng)絡(luò)模型,，為根際菌群調(diào)控指明了方向和技術(shù)途徑,；在國(guó)內(nèi)外首次提出“引入競(jìng)爭(zhēng)”和“精準(zhǔn)靶向”的根際菌群生態(tài)調(diào)控策略，為田間根際菌群調(diào)控和防控土傳病害提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)途徑,。相關(guān)成果以第一或通訊作者發(fā)表在Nature Communications（2015）,、mBio（2016）,、Trends in Plant Science（2017）,、Ecology Letters（2018）,、Science advances（2019）、Nature Biotechnology（2019）,、Microbiome（2020）和Nature Microbiology（2020）等國(guó)際著名期刊,。2019年獲得國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年項(xiàng)目，并以第三完成人獲得2018-2019年度神農(nóng)中華農(nóng)業(yè)科技一等獎(jiǎng)（3/20,，經(jīng)濟(jì)作物抑病型土壤微生物區(qū)系調(diào)控技術(shù)創(chuàng)建與應(yīng)用）,。

大家好，我是韋中,，來(lái)自南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,。

今天我分享的主題是：守護(hù)植物的“腸道”— —根際。

看到這個(gè)題目,，大家一定會(huì)問,，根際與腸道有啥關(guān)系？

首先什么是根際呢,？不管是參天大樹,，還是田間的小草，植物生長(zhǎng)都需要將根系深深的扎進(jìn)土壤汲取養(yǎng)分和水分,。

根際就是受植物根系活動(dòng)影響,，在物理化學(xué)和生物特性上不同于土地土壤的那部分微環(huán)境。

根系向根際輸入大量的光合作用產(chǎn)物,，也就是根系分泌物,，所以根際有大量的微生物，微生物的活動(dòng)也特別活躍,。

所以說(shuō)根際是土壤微生物,、植物根系以及環(huán)境而所形成的一個(gè)獨(dú)特的微生態(tài)系統(tǒng)。

為什么說(shuō)根際是植物的腸道呢,？首先,，它們兩者在功能和特性上是相似的，腸道和根際都是相對(duì)開放的系統(tǒng),，它們?yōu)樗拗魈峁┝素S富的生態(tài)位,，定殖著大量的微生物。

更為重要的是根際和腸道都是宿主們獲取養(yǎng)分和水分的重要區(qū)域,，也是宿主分解轉(zhuǎn)化污染物,、抵御病原菌入侵的重要場(chǎng)所。

可以說(shuō)腸道及其腸道微生物對(duì)人體健康有多重要,，那么根際和根際微生物就對(duì)植物健康有多重要,，所以兩個(gè)領(lǐng)域的學(xué)者也時(shí)常的進(jìn)行交流與借鑒,。

我想這也是今天，我站在《腸·道》這個(gè)大平臺(tái)分享根際故事的一個(gè)重要原因,。

第二,，根際和腸道都是人體獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要關(guān)卡。根際是第一步,，植物在土壤中是通過(guò)根際獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的,，然后植物體再通過(guò)腸道將營(yíng)養(yǎng)輸送到我們?nèi)梭w。

所以說(shuō),，根際的健康既決定了植物的健康,，也進(jìn)一步的影響到腸道健康和人體健康。

根際的健康決定了植物能否更好的從土壤中獲取關(guān)鍵的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素,，能夠阻礙土壤重金屬污染物,，甚至抗生素抗性基因向植物體的傳送，進(jìn)而避免通過(guò)食物鏈傳播而威脅到人體健康,。

談到礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng),，大家都很清楚對(duì)我們?nèi)梭w健康非常的重要。

作為一個(gè)土壤和植物營(yíng)養(yǎng)研究工作者,，我們也知道氮,、磷、鉀,、鈣,、鎂、硫,、鐵,、錳、銅,、鋅,、硼、鉬,、氯,、鎳，它們都是植物必須的營(yíng)養(yǎng)元素,。

其實(shí)它們對(duì)我們的人體健康也是非常重要,，在人體代謝中發(fā)揮著非常重要的作用。

這是 2015 年國(guó)際土壤年的一個(gè)科普宣傳,，這里談到了礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)和人體健康之間的關(guān)系,，指出目前全世界大概有 20 億的人是因?yàn)槲⒘吭氐娜狈Χ　?/p>

這背后很重要的一個(gè)原因，就是我們目前的這樣一個(gè)土壤和植物系統(tǒng)不健康了,。土壤的礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素周轉(zhuǎn)不足,，導(dǎo)致土壤無(wú)法獲得充足的營(yíng)養(yǎng)元素,，那么我們?nèi)梭w對(duì)礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的需求也就無(wú)法得到滿足。

土壤和植物系統(tǒng)不健康,，不僅僅表現(xiàn)在養(yǎng)分周轉(zhuǎn)不足的問題上,，還表現(xiàn)在污染物的難以周轉(zhuǎn)消解，還有土傳病害頻發(fā)這兩個(gè)突出問題上,。

當(dāng)前對(duì)這些問題的不合理解決,，進(jìn)一步的加劇了生態(tài)環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn),，那么也就危及到我們的食品安全和人類健康,。

2017 年 3 月，政協(xié)第十二屆全國(guó)委員會(huì)第五次會(huì)議,，岳澤慧委員就指出,，健康中國(guó)的建設(shè)要從土壤入手。土壤健康的提升,，是一個(gè)大的,、長(zhǎng)期的、系統(tǒng)的工程,，需要堅(jiān)持做,。

當(dāng)前可以從根際入手，因?yàn)楦H的健康是植物健康的一個(gè)根本,，根際微生物與植物建立了長(zhǎng)久的互惠關(guān)系,，它們?cè)陴B(yǎng)分的周轉(zhuǎn)、污染物的分解轉(zhuǎn)化以及土傳病害的防控方面發(fā)揮了非常重要的作用,。

根際的區(qū)域特別的小,，對(duì)這個(gè)區(qū)域的進(jìn)行調(diào)控的話，可以實(shí)現(xiàn)四兩撥千斤的效果,。

接下來(lái)我就以土傳病害為例,，介紹一下土壤病原菌與根際微生物之間的生態(tài)互作關(guān)系，以及如何通過(guò)調(diào)控根際微生態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)根際健康和植物健康,。

常見的土傳病害是由生活在土壤中的病原所引起的,，比如說(shuō)病原真菌、病原細(xì)菌和根結(jié)線蟲,，種類繁多,，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的破壞性非常大。

2020 年 6 月,，Nature Climate Change 發(fā)文表示,，到 2050 年全世界可能都會(huì)面臨著土傳病害的這種侵染的風(fēng)險(xiǎn)。雖然有些夸張,，但是這也說(shuō)明了如果當(dāng)前我們不對(duì)土傳病害的問題重視的話,，未來(lái)的幾十年,，農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)可能面臨著一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。

以我研究的土傳青枯病為例,。這是一個(gè)典型的細(xì)菌性病害,，是由茄科勞爾氏菌（青枯菌）所引起的。當(dāng)前這個(gè)病害在全世界的分布范圍非常廣,，在我國(guó)尤為的嚴(yán)重,。

2017 年我們做了一個(gè)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)在全國(guó)大部分地區(qū)都有該病害的報(bào)道,，尤其是南方,，非常嚴(yán)重。

并且這一病害也有向東北和西北擴(kuò)散的趨勢(shì),。除了它的分布范圍比較廣,，我們還發(fā)現(xiàn)它的寄主范圍也特別的多。

在我國(guó)就有近百種的寄主,，包括我們常見的番茄,、辣椒、茄子,、生姜,、花生等幾十種重要經(jīng)濟(jì)作物，危害都非常大,。

土傳病害的防控并不容易,，要解決這一問題，我們還需要將這個(gè)焦點(diǎn)聚焦在根際,。

我們來(lái)了解一下土傳青枯病入侵三個(gè)基本的過(guò)程,。

第一個(gè)階段是土體到根表。青枯菌在土壤中可以存活幾年到幾十年,，在沒有宿主植物的情況下病原菌的數(shù)量很低,，一旦遇到宿主植物，它就會(huì)向根際遷移,，在根表大量定殖進(jìn)而入侵根表,。

第二個(gè)階段是根表到根內(nèi)。這一階段主要是青枯菌攻擊皮層組織大量增殖,，進(jìn)攻維管束組織,。

第三個(gè)階段是地下到地上。這一階段病原菌一旦進(jìn)入到微管束組織,，就像進(jìn)入了自來(lái)水管管道,，會(huì)快速的進(jìn)入到植物的地上各個(gè)部位，大量增殖,，進(jìn)而導(dǎo)致植物萎靡,。

在這里我借用《扁鵲見蔡桓公》里面的幾句話：“君有疾在腠理”,，“君之病在肌膚”，“在骨髓,，司命之所屬”,。

那么我們根際這個(gè)階段就是在“腠理”，這時(shí)候植物還非常健康,，簡(jiǎn)單的根際調(diào)控就有可能解決這個(gè)問題,。所以說(shuō)我們認(rèn)為土傳病害的防控決勝戰(zhàn)場(chǎng)是在根際。

但是這并不是說(shuō)根際的阻擊戰(zhàn)就會(huì)非常的容易,，因?yàn)槲覀兊母H微生態(tài)環(huán)境非常的復(fù)雜,。

根際的細(xì)菌、真菌,、病毒,、原生動(dòng)物等,，它們形成了復(fù)雜的生態(tài)互作網(wǎng)絡(luò),，也受到周圍的環(huán)境的影響。

在病原菌入侵作物根際的過(guò)程中,，哪些土壤微生物發(fā)揮著重要作用,，它們?cè)谧鍪裁矗克鼈冃纬闪耸裁礃拥幕プ麝P(guān)系,？這些都需要了解,，我們才能更好地進(jìn)行根際調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)作物的健康。

那么什么是健康的根際微生態(tài),？怎么樣才能更好的抵御病原菌的入侵呢,？

回到田間。我們?cè)谶M(jìn)行田間調(diào)查的時(shí)候會(huì)常常發(fā)現(xiàn),，在一個(gè)發(fā)病非常嚴(yán)重的情況下,，依然有一些植物非常的健康。

為什么這些植株能夠保持健康,？是它們自身免疫的差異,，還是它們所生活的環(huán)境中的微生態(tài)環(huán)境不一樣？是土壤中的病原菌數(shù)量不同,，還是它的根際菌群不同,？

就像研究腸道菌群一樣，我們也經(jīng)常要進(jìn)行發(fā)病和健康植株根際菌群的比較,。以前的研究,，我們經(jīng)常采集健康和發(fā)病植株的樣品，比較健康和發(fā)病植株根際菌群的差異,。

但是這種靜態(tài)的比較,，很難去說(shuō)明到底是植物健康狀況不同導(dǎo)致的根際菌群差異,，還是根際菌群的差異導(dǎo)致植物健康狀況不同。

因?yàn)椴『Φ陌l(fā)生是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程,，這種靜態(tài)的比較很難回答這種因果的關(guān)系,。

所以，為了解決這個(gè)問題,，我們就設(shè)計(jì)了一個(gè)非破壞性的根盒裝置,。通過(guò)這個(gè)裝置，我們可以實(shí)現(xiàn)在田間條件下,，對(duì)每一株苗跟蹤,，采集不同生育階段的根際土壤樣品，并且記錄植物的生長(zhǎng)狀況,。

這樣的話,，我們就可以實(shí)現(xiàn)將作物最終的健康狀況和初期的生長(zhǎng)環(huán)境結(jié)合起來(lái)。

在實(shí)驗(yàn)最后,，我們發(fā)現(xiàn)田間有一些植株確確實(shí)實(shí)發(fā)病了,，有一些植物還保持健康。最終的健康狀況不同的情況下,，我們看到病原菌的數(shù)量差異是非常顯著的,。

但是這一最終健康狀況與作物移栽時(shí)候，也就是它的苗期土壤中的病原菌數(shù)量并沒有關(guān)系,。有意思的是,，我們發(fā)現(xiàn)苗期土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)有很大的差異。

并且它菌群的多樣性在健康土壤中要高,，互作關(guān)系也很復(fù)雜,。

也就一定程度上說(shuō)明，根際的早期生長(zhǎng)環(huán)境還是可以決定后期的作物健康狀況的,。

另外從根際的功能菌群來(lái)看的話,，我們也發(fā)現(xiàn)在健康的土壤中，芽孢桿菌,、假單胞菌這一類比較典型的有益微生物的豐度也是在健康土壤中比較高,。

通過(guò)宏基因組分析，我們也發(fā)現(xiàn)像 PKS,、NRPS 這些關(guān)鍵的,、具有合成抑菌物質(zhì)功能的基因的豐度，也是在健康土壤中比發(fā)病土壤中要高,。

這也就說(shuō)明,，在健康土壤中，可能是有一些微生物，它們通過(guò)分泌這些抑菌性的物質(zhì),，使根際菌群環(huán)境形成了一個(gè)相互制約的環(huán)境,。

那么就一定程度上抑制了病原菌的入侵，保持了植物的健康,，當(dāng)然這只是我們的一個(gè)猜想,。

緊接著我們就構(gòu)建了一個(gè)合成菌群，通過(guò)兩兩菌株之間的互作關(guān)系,，來(lái)預(yù)測(cè)復(fù)雜菌群之間的互作關(guān)系以及互作的強(qiáng)度,，以及它們抵御病原菌入侵的能力。

通過(guò)這個(gè)模型我們就發(fā)現(xiàn),，如果根際菌群是一種競(jìng)爭(zhēng)型的關(guān)系,，它就能夠更好的抑制病原菌的入侵。如果是一種便利型的關(guān)系,，那么它就會(huì)一定程度上促進(jìn)病原菌的入侵,。

怎么回事呢？我們后續(xù)研究發(fā)現(xiàn),，競(jìng)爭(zhēng)型的菌群成員能夠更充分的利用環(huán)境中各種各樣的資源,，或者是能夠產(chǎn)生各種各樣的抑菌性的物質(zhì)，從而形成這種競(jìng)爭(zhēng)型的環(huán)境,。

總的來(lái)看的話,，就是縮小了環(huán)境中的生態(tài)位，限制了病原菌的入侵,。

而這種便利型的菌群的話，菌群成員會(huì)傾向于產(chǎn)生公共物品,，公共物品會(huì)促進(jìn)菌群成員之間的生長(zhǎng),。

病原菌初來(lái)乍到的話，它會(huì)受益于這些免費(fèi)的公共物品,，早期就容易定殖下來(lái),，為后期的侵染作好準(zhǔn)備。

那么這樣競(jìng)爭(zhēng)型的菌群在實(shí)際環(huán)境中是怎么形成的,？這里舉兩個(gè)例子,。

第一個(gè)就是說(shuō)，我們認(rèn)為根際的這種核心稀缺的資源,，可能會(huì)驅(qū)動(dòng)菌群的競(jìng)爭(zhēng)互作關(guān)系,。

生物有效性鐵就是微生物所爭(zhēng)奪的一個(gè)關(guān)鍵性資源。為了爭(zhēng)奪稀缺的鐵資源,，微生物一般會(huì)產(chǎn)生鐵載體,，也就是一種低分子量的能夠鰲合三價(jià)鐵的小分子化合物。

這些鐵載體，其實(shí)就相當(dāng)于有條碼的包裹,，有微生物如果能夠識(shí)別這些條碼的話,，它就能利用，如果不能識(shí)別就不能利用,。

這時(shí)候我們就發(fā)現(xiàn),，如果說(shuō)根際存在大量的微生物，它產(chǎn)生的這種鐵載體不能夠被病原菌識(shí)別的話,，根際菌群就和病原菌形成了很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,。

在這種競(jìng)爭(zhēng)的情況下，就大大的抑制了病原菌的入侵,，保護(hù)了植物的健康,。

第二個(gè)例子就是說(shuō)，根際有大量的原生動(dòng)物,，這些原生動(dòng)物它是能夠捕食根際細(xì)菌的,。在這種捕食的脅迫下，很多細(xì)菌是能夠產(chǎn)生防御機(jī)制的,。

比如說(shuō)分泌一些抑菌性的物質(zhì),，去抵御原生動(dòng)物的捕食。但是根際也有一些微生物不能夠產(chǎn)生這種防御性的物質(zhì),，它們就很容易被原生動(dòng)物捕食,。所以說(shuō)在原生動(dòng)物捕食脅迫下最終剩下來(lái)的，是一些具有產(chǎn)生抑菌物質(zhì)能力的細(xì)菌,。

那么根際菌群就會(huì)形成這種競(jìng)爭(zhēng)型的環(huán)境,，進(jìn)而會(huì)抑制病害的這種發(fā)生。

好,，最后我們?cè)僬勔徽勅绾蝸?lái)利用這些知識(shí),，來(lái)進(jìn)行根際微生態(tài)的調(diào)控。

實(shí)現(xiàn)植物的健康,，這里我談到的是定向調(diào)控,。我們知道在根際，競(jìng)爭(zhēng)能力是特別重要的,。那么我們能否先消弱病原菌的競(jìng)爭(zhēng)能力,，再去增強(qiáng)土著微生物的競(jìng)爭(zhēng)能力呢？

這里我們用的是噬菌體療法,。噬菌體是能夠侵染細(xì)菌的病毒,，它有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，第一個(gè)它的特異性特別強(qiáng),，能夠高效的靶向,、專一性的靶向病原菌。

和我們常規(guī)所使用的化學(xué)農(nóng)藥或者土壤熏蒸不同，它們的靶向性不強(qiáng),，殺滅病菌的同時(shí)也會(huì)破壞土壤的生態(tài)環(huán)境,，使土壤整體的抑菌性下降。

另外農(nóng)藥的使用會(huì)使病原菌的耐藥性增強(qiáng),，一旦耐藥性形成的話,，二次侵染的時(shí)候危害就會(huì)更大。

噬菌體的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,，它能夠協(xié)同進(jìn)化,、動(dòng)態(tài)阻控病原菌的入侵。就是說(shuō)雖然噬菌體的侵染也會(huì)導(dǎo)致誘導(dǎo)病原菌產(chǎn)生抗性,，但是噬菌體又進(jìn)而改變,，去調(diào)整侵染進(jìn)化后的病原菌，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的侵染,。

為了阻控病原菌的動(dòng)態(tài)適應(yīng),，我們也可以將不同的噬菌體組合起來(lái)，從多個(gè)角度來(lái)壓制病原菌,，阻礙它的進(jìn)化,。

基于這樣一個(gè)原理，我們目前已經(jīng)建立了青枯菌專性噬菌體資源庫(kù),，在全國(guó)收集到大量的噬菌體,。

在這個(gè)研究中，我們就選擇了 4 種從全國(guó) 4 個(gè)地方分離到的比較高效的噬菌體,，組成了一種,、兩種、三種噬菌體的雞尾酒,。

我們發(fā)現(xiàn),，噬菌體的豐富度越高，對(duì)土傳青枯病抑制效果越好,，根際的病原菌的數(shù)量也會(huì)越低。不過(guò)雖然病原菌的數(shù)量降低了,，但是還是有很多病原菌在根際存活下來(lái),。

但是我們發(fā)現(xiàn)隨著噬菌體多樣性的增加，這些存活下來(lái)的病原菌它的生存成本是非常的高的,。

也就是說(shuō)它的生長(zhǎng)速度是非常慢的,，我們發(fā)現(xiàn)青枯對(duì)噬菌體的耐受性是和它的最大生長(zhǎng)量呈負(fù)相關(guān)的。也就是說(shuō)它在抗性和生長(zhǎng)能力之間呈現(xiàn)了一個(gè)權(quán)衡,。

病原菌的數(shù)量被壓制下去了,，并且病原菌的生長(zhǎng)速度也減慢了。那么，對(duì)根際微生物產(chǎn)生了什么影響呢,？

通過(guò)這個(gè)圖大家可以看到,，相對(duì)于不使用噬菌體的處理，我們使用一種,、兩種或者三種噬菌體的話,，對(duì)根際菌群產(chǎn)生很大的影響。

并且隨著噬菌體多樣性的增加,，根際菌群的多樣性也大大增加了,，多樣性高的話對(duì)我們的植物健康還是有利的。

另外這些菌群到底是怎么改變的,？是因?yàn)槲覀兗尤氲氖删w直接改變的,？還是間接的影響的？

這個(gè)研究,，我們就證明了這一點(diǎn),。我們可以看到，單獨(dú)使用噬菌體的話,，對(duì)根際菌群影響比較小,。使用病原菌對(duì)根際菌群破壞特別大，但是被病原菌破壞的菌群再加入噬菌體之后,，菌群很快就被修復(fù),，跟原來(lái)差不多。

從右邊的多樣性的角度上來(lái)看的話,，病原菌的加入把土著菌群的多樣性大大降低了,，但是噬菌體的加入又使多樣性恢復(fù)到原有的水平。

多樣性恢復(fù)到原有的水平,，它的功能也就可能恢復(fù)到原有的水平,。

病原菌數(shù)量是降低了，很多微生物它又回來(lái)了,，究竟是哪些微生物能夠回來(lái),，哪些微生物的數(shù)量又降低了呢？

我們看到,，的的確確有大量的微生物它是數(shù)量是增加的,，同時(shí)依然有一些微生物的豐度是下降的。

那么為什么有的微生物能夠增加,，有的微生物能夠降低呢,？

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，這些種群數(shù)量能夠增加的微生物,，它抑制青枯菌的平均能力大概在 75%,，而那些種群數(shù)量降低的細(xì)菌,，它的平均抑制能力在 20%。

也就是說(shuō),，競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)的微生物,，當(dāng)空間和資源出現(xiàn)的時(shí)候，它能夠更好地重新占據(jù)這些生態(tài)位,，而那些競(jìng)爭(zhēng)能力比較弱的微生物則很容易被淘汰,。

這些重新占據(jù)了生態(tài)位的根際細(xì)菌與噬菌體，能夠協(xié)同的防控土傳青枯菌的二次入侵,，保護(hù)植物的健康,。

最后總結(jié)一下，我們的研究發(fā)現(xiàn)：首先,，根際微生態(tài)對(duì)植物健康非常重要,，尤其是田間苗期的根際菌群的管理非常重要。

第二,，我們的研究也就給根際菌群調(diào)控指明了一個(gè)方向,。也就是說(shuō)，使根際菌群形成一個(gè)相互制衡的關(guān)系是非常重要的,。

第三,，我們通過(guò)靶向的調(diào)控，也就是說(shuō)靶向病原菌,，重建根際競(jìng)爭(zhēng)型的菌群,，對(duì)我們的植物健康是非常重要的。

我的報(bào)告到此結(jié)束,，謝謝,。