2025年12月1日，北京大学现代农业研究院
/潍坊现代农业山东省实验室郭立研究员和叶文秀研究员的联合团队在国际微生物学顶级期刊《Microbiome》发表了题为
“Grapevine phyllosphere pan-metagenomics reveals pan-microbiome structure, diversity, and functional roles in downy mildew resistance”的研究论文。本研究针对源自全球34种107份葡萄种质进行了大规模二代（NGS），三代（PacBio）基因组以及转录组（RNA-seq）测序，结合泛宏基因组（pan-metagenome）及泛宏转录组(pan-metatranscriptome)分析方法，在全面揭示葡萄叶际微生物组组成的基础上，详细阐明了葡萄叶际微生物组对抗葡萄霜霉病入侵的机制。
本研究为该团队继葡萄泛基因组破译后，又一项葡萄领域的重大突破，不仅全面展示了扑朔迷离的葡萄叶际微生物组，同时提出了利用葡萄叶际微生物组防治葡萄霜霉病的创新方法，为葡萄产业的绿色可持续发展提供了理论基石。
葡萄（Vitis）作为我国乃至全球的重要作物，深远地影响着我们的饮食、健康、文化以及经济。然而，全球葡萄栽培饱受葡萄霜霉病的危害，每年在全球范围造成严重的葡萄产量及品质损失。近年来，一些研究表明，葡萄叶际微生物在葡萄霜霉病抗病中发挥重要作用，有望成为降低农药依赖，实现葡萄绿色可持续发展的重要途径。然而，目前葡萄微生物组研究仍存在巨大空白，尤其是针对病害微生物主要入侵途径-葡萄叶际的微生物组研究，亟需探索其详细组成以及霜霉病抗病机制。
厚壁菌及假单胞菌是优势菌群
首先，本研究针对大规模NGS测序数据使用Kraken2进行微生物物种注释，共鉴定1,326种不同属微生物（图1）。其中细菌占总微生物丰度的91.3%，真菌，古菌及病毒只占据其余的8.7%，且细菌中厚壁菌（Bacillota）以及假单胞菌（Pseudomonadota）为优势菌群。此外，泛宏基因组分析展示厚壁菌及假单胞菌主导核心物种（出现于所有种质），表明其在葡萄叶际微生物组中主导地位。
图1. 葡萄叶际微生物组组成
葡萄叶际微生物组是个功能多面手
宏基因组组装基因组（MAG）可以为微生物组研究提供深入的功能洞悉，而葡萄叶际微生物组乃至植物微生物组研究长期以来缺乏高质量的MAG。为此，本研究首次在植物微生物组领域使用大规模PacBio测序数据共组装了19个高质量MAG（共82,884个基因）（图2），功能分析分别鉴定93个耐药基因（AMR），96个次级代谢基因簇（BGC）以及1,144个碳水化合物活性酶基因（CAZyme）。这些不仅填补了葡萄叶际微生物组研究长期以来的“黑盒”，展示了葡萄叶际微生物组功能的多样性，并提供了宝贵的基因组资源。
图2. 葡萄叶际微生物组MAG功能概况
微生物组“齐心协力”赶走霜霉病
虽然一些研究指出微生物组在霜霉病抗性中的重要作用，但目前仍缺乏其机制方面的深入解析。为此，本研究利用泛宏基因组数据及霜霉病抗病表型数据构建了微生物网络（图3），发现霜霉病抗性种质微生物网络的复杂性显著高于易感种质微生物网络，表明微生物网络复杂性有助于霜霉病抗性。此外，发现厚壁菌为微生物网络复杂性最大贡献物种，从葡萄叶分离出的2种厚壁菌Bacillus cereus 117 gite以及Bacillus cereus SW9SE均能显著提高葡萄的霜霉病抗性，表明以厚壁菌为首的特定微生物种群在霜霉病抗性中发挥关键作用。
图3. 霜霉病易感及抗性葡萄微生物组微生物网络
为揭示葡萄叶际微生物组对抗霜霉病侵染的详细机制，本研究利用大规模RNA-seq数据针对真核微生物组进行泛宏转录组分析。结果发现，霜霉病侵染时初级以及次级代谢相关基因显著上调，表明葡萄叶际真核微生物组通过抑制性竞争以及次级代谢产物分泌对抗霜霉病侵染（图4）。
图4. 葡萄叶际微生物组对抗霜霉病侵染机制示意图
结论
综上所述，本研究使用大规模组学数据并结合泛宏基因组以及泛宏转录组分析方法，全面且详细揭示葡萄叶际微生物组面貌以及基因组概况，阐明了葡萄叶际微生物组对抗霜霉病侵染的重要机制。本研究不仅提供了全面且详细的微生物组洞悉，还提供宝贵的基因组以及微生物资源，为葡萄病害的绿色防控提供了新的思路。
北京大学现代农业研究院/潍坊现代农业山东省实验室郭立研究员和叶文秀研究员为论文通讯作者，金京运助理研究员为论文第一作者。北京大学现代农业研究院科研助理王祥锋、张雪楠、梅俊杰、郑伟、国林领和张立立，以及孙海生助理研究员参与了本研究工作。中国农业科学院郑州果树研究所刘崇怀研究员对本研究提供了宝贵葡萄种质材料及重要意见。本研究得到了潍坊现代农业山东省实验室、北京大学现代农业研究院高性能计算中心以及山东省重点研发计划和山东省自然科学基金、山东省泰山学者项目、山东省杰出青年基金、潍坊市葡萄种质创新与利用重点实验室的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1186/s40168-025-02287-4
