泛多组学联合解析葡萄叶际微生物组，破解霜霉病抗性调控机制

葡萄作为全球极具经济价值的果树，产业规模庞大，而霜霉病是危害葡萄生产最具毁灭性的病害之一，由葡萄霜霉菌侵染引发，严重破坏叶片与果穗，造成大幅减产。植物微生物组被称作“第二基因组”，在植株营养吸收、抗病抗逆等过程中发挥关键作用，葡萄叶际微生物更是与病原菌博弈的前沿阵地。当前葡萄微生物研究多依赖16S rRNA扩增子测序，仅能实现物种初步鉴定，难以解析功能机制；短读长宏基因组也存在完整基因组组装困难的问题，长读长测序与宏转录组技术在植物微生物领域应用尚且不足，整合泛宏基因组、泛宏转录组开展葡萄微生物组的系统性研究一直处于空白状态。近日，研究团队在《Microbiome》发表重磅成果，依托Illumina、PacBio、RNA-seq多技术平台，结合大规模种质资源，首次构建葡萄叶际泛微生物组图谱，解析微生物群落结构、功能特征与霜霉病抗性的内在关联，为葡萄病害绿色防控、微生物资源挖掘与应用树立全新研究范式。

多技术联用，构建葡萄叶际泛微生物组全景图谱

本研究选取涵盖34个葡萄物种、共计107份葡萄种质材料开展试验，整合Illumina 短读长宏基因组、PacBio长度长宏基因组、宏转录组三大测序技术，搭配霜霉病抗性表型鉴定，搭建完整的分析体系。研究对每份样本开展Illumina宏基因组测序，下机数据过滤宿主序列后，单样本平均获得440万条微生物有效reads，共注释出1,326个微生物属。群落结构分析显示，厚壁菌门（Bacillota，占比43.6%）和假单胞菌门（Pseudomonadota，占比37.9%）是葡萄叶际核心优势门类；在属水平上，植物乳杆菌、黄单胞菌丰度最高。从生物分类界层面来看，细菌占据绝对优势，占比达91.3%，古菌、真菌、病毒等类群占比不足10%，且各类群均存在优势类群，该群落特征在全球葡萄种质中具有普适性。

基于物种分布特征，研究将微生物划分为核心属、附属属和特有属：仅占总属数0.6%的7个核心属，贡献了77.3%的群落相对丰度，再次印证厚壁菌门与假单胞菌门在葡萄叶际微生物组中的核心地位。依托PacBio长读长测序技术，团队完成葡萄叶际微生物基因组组装，这也是国际上首次利用PacBio数据获得葡萄叶际宏基因组组装基因组（GPMAGs）。研究最终拼装得到19个非冗余高质量微生物基因组，包含4个完整基因组、3个近完整基因组、5个高质量基因组及7个中等质量基因组，基因组大小与常规细菌基因组特征相符。物种注释结果显示，假单胞菌门在组装基因组中占比最高，且该门类下菌株在不同葡萄种质中分布最广泛。这批高质量MAGs填补了葡萄微生物基因组资源的空白，为后续功能解析奠定了坚实基础。

GPMAGs组装及基因组特征分析

基因组功能解析，挖掘微生物多样代谢潜能

研究对19个GPMAGs开展全面功能注释，共预测得到82,884个基因，涵盖编码区、RNA、重复序列等多种元件。功能分类结果表明，除占比26.7%的未知功能蛋白外，其余基因主要参与转录、物质代谢、物质转运等基础生命活动；群落整体功能趋于专一化，同时又具备丰富的代谢可塑性，适配叶际特殊生存环境。

在此基础上，团队重点解析三类关键基因家族：

（1）耐药基因（AMR）：共鉴定出93个分属16个家族的耐药基因，多数以药物外排为抗性机制，反映出葡萄园长期施用农药导致微生物产生耐药性的现状；

（2）次生代谢物合成基因簇（BGCs）：总计发现96类次生代谢合成基因簇，萜类、RIPP类、非核糖体肽合成酶类丰度最高，这类基因多与抗菌物质合成相关，是微生物生防潜力的重要标志；

（3）碳水化合物活性酶（CAZyme）：注释到1144个碳水化合物活性酶基因，涵盖143个酶家族，以糖基转移酶和糖苷水解酶为主，证明叶际微生物具备强大的多糖代谢能力，可通过多糖合成与代谢参与葡萄-微生物互作。

同时研究发现不同门类微生物功能存在分化：假单胞菌门的耐药基因和碳水化合物代谢基因最为丰富，放线菌门则拥有最多次生代谢合成基因簇，不同微生物各司其职，共同塑造叶际微生态。

GPMAGs的功能注释

微生物网络复杂度，决定葡萄霜霉病抗性表型

研究将葡萄种质按照霜霉病抗、感表型分组，对比两组微生物群落组成，发现物种整体结构与α多样性并无显著差异。而微生物互作网络分析带来关键突破：霜霉抗病葡萄的微生物网络复杂度显著高于感病材料，菌群间正负互作频次更高，群落结构更稳定。

在网络中，植物乳杆菌、Liberibacter、假单胞菌等核心属处于枢纽位置，厚壁菌门是提升网络复杂度的最主要类群。相关性分析证实，厚壁菌门与眼虫门、蓝细菌存在显著正向互作，共同构建抗病微生态体系。为验证功能，团队从葡萄叶片中分离出两株蜡状芽孢杆菌，离体抑菌实验表明，该菌株在低浓度下即可对葡萄霜霉菌产生强效抑制作用，明确了厚壁菌门菌株的生防价值，也证实微生物互作网络是调控葡萄霜霉抗性的核心要素。

霜霉病抗性塑造复杂的微生物互作网络

宏转录组揭示侵染应答，解析抗病分子机制

为探明病原菌侵染后微生物的转录响应，研究对接菌前后的葡萄叶片样本开展宏转录组分析，拼接获得192,675个真核微生物转录本。霜霉菌侵染后，微生物转录水平发生剧烈变化，共出现40,546个显著上调转录本、5,081个显著下调转录本。

KEGG、GO富集及GSEA分析结果一致显示，真核微生物的初级代谢与次生代谢通路被显著激活，上调基因大量编码聚酮、抗生素等次生代谢合成关键酶。这说明面对霜霉菌入侵，叶际真核微生物通过强化物质代谢、合成抑菌活性物质，同时借助菌群间竞争排斥作用，协同提升葡萄抗病能力，完整阐释了微生物组参与葡萄抗霜霉病的分子通路。

葡萄霜霉菌侵染的葡萄叶际微生物转录组图谱

综上所述，该研究创新融合泛宏基因组+长读长MAG组装+泛宏转录组多组学技术，突破传统微生物研究的技术局限，系统描绘了葡萄叶际泛微生物组的物种构成、基因组特征与功能全貌，明确了微生物网络复杂度是区分葡萄霜霉病抗、感材料的核心特征，同时挖掘出蜡状芽孢杆菌等优质生防菌株，为开发微生物农药、构建田间绿色防病体系、培育抗病葡萄种质提供了新方向与新思路。

原文链接：https://doi.org/10.1186/s40168-025-02287-4