Take home message

（1）通过田间、温室和实验室实验，研究了单一种植（连作） 和轮作这两种管理方式，对花生根际微生物抑制根腐病能力的影响。

（2）单一种植（连作）不好： 长期只种一种作物，会导致土壤中的微生物群落变得抑制病害的能力变差。单一种植会使一些关键的、有益的根际微生物在争夺植物根部释放的有限养分时竞争不过其他微生物，从而数量减少甚至消失。这些关键微生物的缺失，使得植物更容易被病原体入侵。

（3）补充微生物有效： 当研究人员把在单一种植中耗尽的关键有益微生物重新补充回土壤后，土壤抵抗病原体的能力就恢复了。

Crop rotation and native microbiome inoculation restore soil capacity to suppress a root disease 作物轮作和本地微生物接种恢复土壤能力以抑制根部疾病

摘要

（1）It is widely known that some soils have strong levels of disease suppression and prevent the establishment of pathogens in the rhizosphere of plants. However, what soils are better suppressing disease, and how management can help us to boost disease suppression remain unclear. 众所周知，一些土壤具有很强的病害抑制能力，并能防止植物根际的病原体滋生。然而，什么样的土壤能够更好地抑制疾病，以及管理如何帮助我们提高疾病抑制率，这些仍然不清楚。

（2）Here, we used field, greenhouse and laboratory experiments to investigate the effect of management (monocropping and rotation) on the capacity of rhizosphere microbiomes in suppressing peanut root rot disease. 在这里，我们采用田间、温室和实验室试验来研究管理(单作和轮作)对根际微生物抑制花生根腐病能力的影响。

（3）Compared with crop rotations, monocropping resulted in microbial assemblies that were less effective in suppressing root rot diseases. Further, the depletion of key rhizosphere taxa in monocropping, which were at a disadvantage in the competition for limited exudates resources, reduced capacity to protect plants against pathogen invasion. 与轮作相比，单作导致微生物群落在抑制根腐病方面效果不佳。此外，在单作中，关键根际分类群的耗竭降低了植物抵御病原体入侵的能力，这些分类群在竞争有限的分泌物资源时处于不利地位。

（4）However, the supplementation of depleted strains restored rhizosphere resistance to pathogen. Taken together, our findings highlight the role of native soil microbes in fighting disease and supporting plant health, and indicate the potential of using microbial inocula to regenerate the natural capacity of soil to fight disease.然而，补充耗尽的菌株恢复了根际对病原体的抗性。综上所述，我们的发现强调了原生土壤微生物在抵抗疾病和支持植物健康中的作用，并表明了使用微生物接种物来再生土壤抵抗疾病的自然能力的潜力。

（5）Results 结果

（6）Monocropping aggravates peanut root rot severity 单作加重了花生根腐病的严重程度

a. 长期田间试验与动态监测。 从2012年开始。 设置了两种种植制度：花生连作： 从2012年到2018年，连续在同一块地种植花生。轮作： 花生不是每年都种。具体轮作顺序为：2012年种花生，之后在原本应该种花生的年份，改为按顺序种植玉米、马铃薯和大豆。这意味着花生的种植频率降低了。2012, 2014, 2016年： 在花生的开花期调查病害指数。2018年： 进行了更详细的调查，在花生的幼苗期、开花期和结荚期都调查了病害情况。2018年： 在调查病害的同时，采集了根际土壤样品，用于后续的微生物群落分析。

b. 病原体鉴定。这个子图专注于从连作系统中识别具体的病原体。在2018年花生生长季后期，从连作处理的地块中，分别采集了健康植株和患病植株的根部。分析内容：病原群落分析： 分析健康和患病植株根部的所有潜在病原微生物（如真菌、细菌）的组成。潜在病原鉴定： 通过比较健康与患病植株的微生物组，识别出导致根腐病的关键病原体。明确在连作系统中，究竟是哪些微生物（病原体）导致了花生根腐病。这为后续研究提供了明确的靶标。

c. 温室盆栽验证实验，这个子图将在田间采集的土壤带回受控的温室环境中进行验证实验，以确认因果关系。在2018年种植季结束时，从田间试验的六个小区（应包括连作和轮作处理）采集土壤。将这些田间土壤用于温室盆栽实验，并在盆中种植花生。在盆栽花生的幼苗期，采集根际土壤，并进行三项关键分析：可培养微生物组-病原体互作分析： 从土壤中分离培养出具体的微生物菌株，在实验室里直接测试它们抑制（b中鉴定的）病原体的能力。群落分析： 分析盆栽中微生物的整体构成，与田间结果相互印证。功能分析： 可能包括测定与抗病性相关的土壤酶活性或微生物功能基因等。

清晰地展示了长期连作对花生根腐病的影响，并锁定了主要的致病病原体。

a. 田间症状展示内容： 展示了田间健康花生和患病花生的根部对比照片。目的： 直观地呈现花生根腐病的典型症状。患病植株的根系通常发育不良、颜色深暗、出现腐烂，而健康植株根系则发达、颜色鲜亮。b. 连作对病害的长期影响（2012-2016） 折线图显示了从2012年到2016年，在花生开花期测定的根腐病病情指数。连作处理 的病情指数从2012年开始逐年显著上升。

c. 连作对病害的年度内影响（2018） 柱状图显示了2018年，在花生的幼苗期、开花期和结荚期三个不同生长阶段测定的病情指数。在每一个生长阶段，连作处理的病情指数都显著高于轮作处理。d. 患病根部中的关键病原菌。热图展示了在患病根部中显著富集的微生物分类单元，其中重点关注了两个属于镰刀菌 的分类单元。 图中颜色越深（接近1.5）表示该菌在患病根部中的相对丰度越高。这两个镰刀菌OTU在病根中明显多于健康根。结论： 将致病嫌疑指向了镰刀菌，特别是图中标出的这两种。e. 病原体致病性验证，内容： 箱线图展示了通过人工接种实验，验证潜在病原菌（镰刀菌）的致病性结果。纵坐标是发病率。接种了尖孢镰刀菌 和腐皮镰刀菌 的植株，发病率显著高于未接种的对照组。f. 连作土壤中病原菌丰度 柱状图直接测定了2018年田间实验中，连作和轮作土壤里尖孢镰刀菌 的具体数量（基因拷贝数）。连作土壤中的尖孢镰刀菌数量显著高于轮作土壤。

（7）Crop managements have significant effects on the peanut rhizosphere microbiome 作物管理对花生根际微生物有显著影响

a. 微生物群落结构差异。图表类型： 非度量多维尺度分析图。处理效应显著： 轮作 和 连作 的样本点各自聚集在不同的区域，形成了明显分离的两大簇群。这表示两种种植制度下的根际微生物群落结构存在根本性差异。b. 关键差异微生物的识别纵坐标 -log10(Padj) 表示统计显著性，点位置越高，说明该微生物在两组间的差异越可靠。横坐标 log2(FC) 表示变化倍数。正值代表在连作中富集，负值代表在连作中耗竭。c & d. 耗竭/富集微生物的系统发育树。图表类型： 系统发育树与相对丰度图。环形树状图： 展示了（b）中鉴定出的那些被连作耗竭和富集的OTUs之间的进化亲缘关系。每一个分支尖端代表一个OTU。外侧条形图： 显示了每个OTU在连作和轮作处理中的相对丰度，直观对比。可以清晰地看到，许多在系统发育树上位置相近的OTU（属于同一个类群），在连作处理中（可能显示为红色或较短的条带）的相对丰度远低于在轮作处理中（可能显示为蓝色或较长的条带）。这从进化关系的角度证实了（b）图的发现，即连作所耗竭的微生物不是随机的，而是针对某些特定的、在亲缘关系上可能有关联的类群。

（8）Rhizosphere microbiome of crops under rotation suppress the invasion of F. oxysporum 轮作作物根际微生物抑制尖孢镰孢菌入侵

a. 微生物群落的直接抑制能力 内容： 柱状图比较了从连作和轮作土壤中提取的微生物群落对病原菌尖孢镰刀菌的直接抑制效果。b. 挥发性有机物的间接抑制能力，轮作土壤微生物产生的VOCs对病原菌的抑制率显著更高。c. 功能基因富集分析 气泡图展示了在轮作和连作土壤的可培养微生物中，存在显著差异的代谢通路。Rich Factor 越大，表示该通路在差异基因中越富集（即该通路的功能在两组间差异越大）关键发现：在轮作土壤的微生物中，与营养物质利用相关的通路（如ABC转运体、磷酸转移酶系统PTS）和与抗病/信号传导相关的通路（如群体感应、双组分系统）显著富集。 轮作土壤中的微生物在营养获取和细胞间通讯方面具有更强的功能潜力，这可能是它们能形成更有效抗病群落的原因。

d.关键抗病基因丰度，内容： 柱状图直接比较了三个已知与病原菌抑制相关的特定基因在连作和轮作微生物中的表达量（TPM值）。这三个基因在轮作处理中的丰度显著高于连作处理。结论： 从分子水平证实，轮作土壤中的微生物确实更高水平地表达了直接参与抗病功能的基因。e. 关键微生物的丰度差异， 柱状图展示了在连作和轮作土壤中一些特定细菌OTU的相对丰度。红色条形代表在轮作中富集（即在连作中耗竭） 的OTUs。可以看到它们在轮作土壤中数量巨大，而在连作土壤中几乎为零。蓝色条形代表在连作中富集的OTUs。结论： 直观地证实了连作导致了一些特定的、可能具有有益功能的细菌（如Burkholderia, Stenotrophomonas等）从根际中消失。

f. 根系分泌物对细菌生长的驱动作用 柱状图展示了用连作和轮作花生的根系分泌物培养（e）中提到的那些细菌时，细菌的生长情况。左图（耗竭菌）： 那些在连作中耗竭的细菌，用轮作花生的根系分泌物培养时长得更好。右图（富集菌）： 那些在连作中富集的细菌，用连作花生的根系分泌物培养时长得更好。

（9）Cultivable rhizosphere microbiome under monocropping and rotation 单作和轮作条件下可培养的根际微生物

（10） Characteristics of depleted strains responding to peanut root exudates 衰竭菌株对花生根系分泌物的响应特征

（11） Depleted strains associated with pathogen suppression by rhizosphere microbiome 与根际微生物抑制病原体相关的衰竭菌株

证明了将通过之前研究鉴定出的“耗竭菌”重新补充回土壤，能够有效抑制病害

a. 体外拮抗实验设计：展示了如何在培养皿中测试不同组合的“合成群落”（SynCom，即由耗竭菌株人工组合的菌群）对病原菌尖孢镰刀菌的直接抑制（拮抗）作用。b. 合成菌群的直接抑菌效果。内容： 箱线图展示了不同组合的合成群落（SynCom）对病原菌菌丝生长的直接抑制效果。解读：对照组 病原菌自由生长。补充了7株耗竭菌的组合抑菌效果最强。总体趋势是：补充的菌株数量越多，抑菌效果越好。结论： 这些在连作中耗竭的菌株，本身确实具有直接抑制病原菌的能力，并且它们之间存在协同作用。c. 体外补充实验设计：展示了将连作根际微生物群落 与不同组合的合成群落 混合，然后测试其对病原菌抑制能力的实验设计。d. 补充菌群恢复土壤微生物群的抑菌能力。内容： 箱线图展示了在体外条件下，向功能不全的连作根际微生物群落 中补充合成群落后，其抑制病原菌能力的恢复情况。只接种RhiCom（不补充）的抑菌能力很弱。随着补充的菌株数量增加，整个微生物群落的抑菌能力显著增强。补充7株菌时效果最好。结论： 补充耗竭菌株，可以修复和增强连作土壤微生物群落的整体抑病功能。e. 体内补充实验设计：展示了在温室或实验室条件下（in vivo），在植物体内进行的实验。将病原菌、连作根际微生物群落以及不同组合的合成群落一同接种到花生上，观察病害发生情况。f. 补充菌群在植物体内降低病害。结论： 在受控的植物生长环境中，补充耗竭菌株能有效降低根腐病的发生。g. 田间试验设计：展示了在真实田间进行的随机区组试验设计，将效果最好的菌株组合应用到实际的连作地块中，验证其防控效果。h. 田间试验验证防病效果，内容： 柱状图展示了在最真实的田间条件下，接种不同合成群落对花生根腐病发病率的影响。对照组（不补充菌剂）的病害发病率接近100%。所有补充了菌株的处理，病害都显著减轻。同样，补充7株菌的组合防病效果最佳，将发病率降到了最低。

However, what soils are better suppressing disease, and how management can help us to boost disease suppression remain unclear.