1. 核心问题：如何通过改造植物根部的微生物（细菌）来让植物更健康、更抗病？直接改造植物基因或育种很难，所以科学家想找其他办法。

2. 意外发现：他们发现，给番茄施加钙（Ca） 这个简单的操作，不仅能直接增强番茄自身的免疫力（产生更多防御物质），还能极大地改变根部细菌的组成。

3. 关键机制：钙改变了番茄根部分泌的化学物质（如水杨酸、糖等）。这些新的“食物”和“信号”像开了一场“招募会”，特别吸引并促进了4种有益细菌（如Dyella japonica等）的生长。

4. 强力效果：

• 这些被钙“富集”起来的有益细菌，能够有效抑制导致番茄枯萎病的病原菌（青枯菌）。

• 当单独使用高剂量钙时，就能把病害发生率从80%降到0%。

• 科学家把这4种细菌人工组合成一个“合成菌群（SynCom）”。

• 这个“合成菌群” + 较低剂量的钙，联手能达到和单独使用高剂量钙一样的防病效果

1.摘要

（1）Engineering root microbiomes holds great promise to enhance plant health. Enhanced plant resistance via breeding or genetic modification can promote recruiting beneficial microbes, but is challenging to achieve. 工程根系微生物群对增强植物健康大有希望。通过育种或基因改造增强植物抗性可以促进有益微生物的补充，但很难实现。（2）Here we showed that calcium (Ca) addition caused significant changes in tomato physiology, resulting in enhanced immunity towards the pathogen Ralstonia solanacearum along with increased levels of salicylic acid (SA), sugar content, and defense enzyme activities in roots 在这里，我们表明钙(Ca)的添加引起番茄生理上的显著变化，导致对病原体青枯菌的免疫增强，同时增加了根中水杨酸(SA)、糖含量和防御酶活性的水平 .

（2）High Ca levels significantly altered the root microbiomes, enriching sixteen bacterial genera, including Dyella japonica, Rhodanobacter glycinis, Paenibacillus polymyxa, and Pseudomonas aeruginosa, with the mostly enriched genus showing a 16.5-fold increase in the relative abundance compared to no Ca addition 高钙水平显著改变了根部微生物群，富集了16个细菌属，包括日本Dyella japonica，Rhodanobacter glycinis，Paenibacillus polymyxa和Pseudomonas aeruginosa，其中最富集的属的相对丰度比不加钙时增加了16.5倍 .

（3）Associated with the enhancement of these bacterial genera, tomato wilt incidence was reduced from 80 to 0%. 与这些细菌属的增强相关，番茄枯萎病发病率从80%降低到0%。 

（4）The growth of these four bacterial strains was promoted to varying extent by the addition of SA, sucrose, trehalose, and Ca in vitro. All the four bacterial strains had antagonistic ability against R. solanacearum 在体外，添加水杨酸、蔗糖、海藻糖和钙对这四个菌株的生长都有不同程度的促进作用。4株细菌对青枯病菌都有拮抗能力 .

（5）A synthetic microbial community (SynCom) of these four strains significantly inhibited R. solanacearum growth in whole root exudates treated with Ca, and the combination of SynCom and Ca addition resulted in nearly eradication of the tomato bacterial wilt. 这四个菌株的合成微生物群落(SynCom)显著抑制Ca处理的整个根分泌物中的青枯菌生长，并且SynCom和Ca添加的组合导致几乎根除番茄青枯病。 

（6）Our findings revealed an effective and simple method for enriching beneficial microbiomes to protect plants against pathogens. Our results also suggested that combination of immunity boosters and beneficial microbes offers a novel strategy to combat soil-borne diseases. 我们的发现揭示了一种有效和简单的方法来富集有益的微生物群，以保护植物免受病原体的侵害。我们的结果还表明，免疫增强剂和有益微生物的结合为对抗土传疾病提供了一种新的策略。

盆栽实验流程

实验设置：设置了7个不同钙水平的土壤处理：0、50、100、200、300、400、800 mg CaCl₂ / kg 土壤。这是一个剂量效应实验，旨在找出钙的最有效浓度。实验对象是番茄。实验时间线：移栽 (Transplanting)：将番茄幼苗移栽到上述不同钙浓度的土壤中。生长适应 20天：让番茄在不同钙环境中生长适应。接种病原菌 (Inoculating)：用青枯菌 (R. solanacearum) 人工接种番茄，诱发疾病。接种后第10天，第一次采样 (Sampling, n=4)：进行 qPCR检测：定量分析根和根际土壤中的青枯菌数量，评估病害初期发展情况。进行 16S rRNA基因测序：分析根和根际土壤的微生物群落结构，看钙如何改变菌群。接种后第20天，第二次采样：重复进行qPCR检测和16S rRNA测序，评估病害发展和菌群变化的后期情况。采样后的植物分析：植物生长和营养测定：评估钙对番茄整体生长的影响。根系生理和代谢物测定：分析钙如何改变根系功能及其分泌的化学物质（如糖、有机酸等）。细菌分离：从根部分离内生细菌，用于后续研究。体外实验流程。这部分旨在鉴定和验证从盆栽实验中分离出的、可能的有益细菌。细菌分离与纯化流程：从番茄根开始，经过表面灭菌（杀死根表细菌，确保获得的是内部的内生菌）。用PBS缓冲液研磨，纱布过滤，梯度稀释。涂布在平板培养基上，挑选单菌落进行分离、纯化和测序鉴定。功能测试：抑菌试验 (Bacteriostatic test)：将纯化的分离菌与青枯菌在平板上对峙培养，筛选出具有拮抗作用的菌株。菌株筛选 (Strains screening)：从上一步中选出有效的拮抗菌。生长曲线测定 (Growth curves)：在含有钙或从根系测出的关键代谢物的液体培养基中，培养这些拮抗菌。通过测量光密度来绘制生长曲线，验证钙或根分泌物是否能直接促进这些有益菌的生长。此步骤在96孔板中进行，可实现高通量测试。下半部分总结：这是在可控的实验室条件下，对从田间实验中发现的“线索”（特定细菌）进行功能验证，确认它们是否确实具有拮抗病原菌的能力，以及其生长是否受钙和植物代谢物的促进。

（7）Result

（8）Ca impacted tomato growth in a dose-dependent manner钙以剂量依赖的方式影响番茄生长

（9）High doses of Ca reduced tomato wilt incidence  钙以剂量依赖的方式影响番茄生长

钙以剂量依赖的方式抑制番茄植株青枯病的发生。a 图展示了在七种不同钙剂量处理下番茄植株的萎蔫发病率。b 图展示了接种后第30天不同钙处理下番茄植株的代表性形态。c 图显示了两个采样时间点下，递增的钙水平对根内及根际土壤中青枯菌密度的抑制效果。注：数据以均值±标准误表示（n=4），不同字母表示根据LSD检验（p<0.05）不同钙处理间存在显著差异。

（10） Ca improved tomato immunity 钙增强了番茄的免疫能力

图3 钙影响与番茄抗病性相关的根系生理。a 钙对番茄根系酶活性（SOD、POD、CAT）及MDA含量的影响。b 钙以剂量和时间依赖的方式影响番茄根系中水杨酸（SA）的浓度。c 补充钙与不补充钙条件下番茄根系的代谢物谱。代谢物根据其化学性质进行分类并以热图形式可视化。d 火山图展示了与Ca0处理相比，经Ca300、Ca400及Ca800处理的根样本中统计上显著上调、下调及未变化的代谢物（p < 0.01）。注：数据以均值 ± 标准误表示（n=4）。a 与 b 图中不同字母表示根据LSD检验处理间存在显著差异（p < 0.05）。海藻糖、蔗糖：为有益细菌提供能量和碳源。谷氨酸、γ-氨基丁酸：是微生物重要的氮源和信号分子。绿原酸、柚皮素等酚类物质：很多具有直接的抗菌活性

（11） Ca shaped rhizosphere and endophytic bacterial communities 钙改变了根际和内生细菌群落结构

a图：细菌群落的多样性（Shannon指数）钙的添加改变了微生物群落的多样性，且这种影响是剂量依赖性的（不同剂量间有显著差异）。b图：细菌群落的整体结构变化（主坐标分析PCoA）。c图：优势菌群的门和属水平相对丰度（堆叠柱状图）d图：与病原菌密度相关的关键细菌属（随机森林模型）e图：钙施用量与有益菌属丰度的线性关系。

（12） Key Ca-stimulated bacterial isolates showed biocontrol efficacy and plant growth-promoting activities 钙诱导的关键细菌分离株展现出生物防治效果和促进植物生长的活性

a图：细菌的系统发育树，一棵展示所有在番茄根中丰度>0.1%的细菌（ASV）进化关系的“家谱树”。Beneficial（有益）：根据植物有益菌数据库，被鉴定为已知有益属的细菌。图中显示很多细菌属于这一类。Isolated（已分离）：本研究成功从根部分离培养出来的细菌属。SynCom（合成群落）：被选入最终4菌株合成群落的属。核心发现：被分离（Isolated） 出来并最终用于合成群落（SynCom） 的4个菌属（Dyella, Rhodanobacter, Paenibacillus, Pseudomonas），全部都位于被标注为 “有益（Beneficial）” 的分支上。这意味着：钙不仅仅是富集了细菌，而且是“精准富集”了进化上已知的、对植物有益的细菌类群。 这从系统发育角度证明了筛选的有效性。b图：抑菌功能验。c图：促生功能基因分析（证明“多才多艺”）横轴：列出了10大类植物促生长特性，从提供营养（固氮、解磷）到合成激素（生长素），再到帮助植物抵抗胁迫。

（13） Ca-enriched whole root exudates and key metabolites inhibited R. solanacearum growth and promoted the growth of SynCom members under in vitro conditions富钙根系全分泌物及其关键代谢物在体外条件下抑制青枯菌生长，并促进合成群落成员的生长

a图：全根分泌物对病原菌和合成菌群的差异效应，收集了经不同钙浓度处理的番茄根系分泌物，然后在培养基中观察它对青枯菌和合成菌群成员生长的影响。对病原菌（青枯菌）：来自高钙处理的根分泌物，能显著抑制青枯菌的生长。对益生菌（合成菌群）：同一种高钙根分泌物，却显著促进合成菌群成员（那4种有益菌）的生长。b图：根分泌物对共培养体系中病原菌的抑制，在含有根分泌物的环境中，将青枯菌和合成菌群放在一起培养，看最终的病原菌数量。在含有高钙根分泌物的体系中，合成菌群对病原菌的压制效果被极大增强，导致青枯菌的密度极低。核心结论：高钙根分泌物为合成菌群创造了“主场优势”，让它们在对抗中能彻底击败病原菌。c图：钙离子本身的直接效应，对病原菌：高浓度钙离子能直接抑制青枯菌生长。对益生菌：合成菌群对钙离子的耐受性更强，在高钙下仍能良好生长。d-f图：关键代谢物的功能验证，针对前期（图3）发现的、被钙上调的3种关键代谢物——水杨酸（SA）、蔗糖、海藻糖，在培养基中单独测试它们对两种微生物的影响。对病原菌：这3种物质在较高浓度下都能不同程度地抑制青枯菌生长（水杨酸的抑制效果尤其显著）。对益生菌：这3种物质都能显著促进合成菌群成员（特别是一两种核心菌株）的生长，是它们的“美食”或“信号”。核心结论：找到了“化学语言”的具体词汇！ 钙诱导植物根部大量分泌的SA、蔗糖、海藻糖，正是实现“抑敌养友”选择性效应的关键化学信使。

（14） SynCom inhibited R. solanacearum and controlled bacterial wilt with reduced Ca application成群落在减少钙用量的条件下抑制青枯菌并有效防控青枯病

图7 在盆栽实验中，接种青枯菌后，施用合成菌群与钙的不同处理下番茄植株青枯病的发病率。实验设置了四种处理：(1) 不施钙肥且不添加合成菌群 (Ca0)，(2) 仅添加合成菌群不施钙，(3) 施用100 mg/kg土壤的钙但不添加合成菌群 (Ca100)，(4) 同时施用100 mg/kg土壤的钙与合成菌群。随时间监测病害发生率，并使用重复测量方差分析进行数据处理。数据以均值 ± 标准误表示（n=4）。

Engineering root microbiomes holds great promise to enhance plant health.

Enhanced plant resistance via breeding or genetic modification can promote recruiting beneficial microbes, but is challenging to achieve.