揭示短小芽孢杆菌(Bacillus pumilus)促植物生长生化通路的遗传基础及首次基因组解析假蕈状芽孢杆菌(B. pseudomycoides)作为生物刺激剂的潜力

本研究针对农业可持续发展中化学肥料过度使用和气候变化胁迫的挑战，通过比较基因组学揭示了玉米根际分离的3株短小芽孢杆菌(B. pumilus)和1株假蕈状芽孢杆菌(B. pseudomycoides)的促植物生长(PGP)分子机制。研究发现菌株通过磷酸盐溶解、铁载体合成、胁迫耐受等多重途径促进植物生长，首次阐明假蕈状芽孢杆菌缺乏SigB介导的盐胁迫响应系统而依赖传统渗透保护策略的物种特异性适应特征。该研究为开发靶向性生物肥料提供了基因组学依据，发表于《Current Research in Microbial Sciences》。

　　

在气候变化和粮食安全双重压力下，现代农业正面临土壤退化与化学肥料过度使用的严峻挑战。玉米作为全球三大主粮之一，其根际蕴藏着丰富的微生物资源，其中芽孢杆菌属(Bacillus)因其独特的孢子形成能力和多重促生功能备受关注。然而，关于这些"植物益生菌"如何通过分子机制促进作物生长，科学界仍存在大量认知空白——尤其是对短小芽孢杆菌(B. pumilus)的遗传基础研究不足，而假蕈状芽孢杆菌(B. pseudomycoides)的促生潜力更是长期被忽视。

来自希腊American Farm School的研究团队在《Current Research in Microbial Sciences》发表重要成果，他们从玉米根际分离出3株B. pumilus和1株B. pseudomycoides菌株，通过全基因组测序和表型分析揭示了这些微生物促进植物生长的"分子武器库"。研究发现这些菌株能通过不同色氨酸依赖途径（IPyA/IAM/IAN）合成植物激素吲哚-3-乙酸(IAA)，其中B. pumilus特有的SigB/SigM/SigW替代σ因子系统赋予其更强的盐胁迫耐受性。更引人注目的是，研究首次解析了假蕈状芽孢杆菌因bacillibactin合成基因簇中bsaA缺失导致的铁载体功能缺陷，为理解物种间生态位分化提供了新视角。

研究人员采用Illumina NovaSeq平台完成基因组测序，通过REALPHY构建系统发育树，利用antiSMASH预测次级代谢产物基因簇。表型分析涵盖磷酸盐溶解、铁载体产生等7项促生特性，结合SNP变异分析揭示关键功能基因的突变效应。

3.1 植物生长促进与胁迫耐受特性
所有菌株均表现出多重促生能力：在缺氮培养基中生长、产生氨和吲哚类物质，其中B. pumilus CrAZ3耐受20% NaCl并形成强生物膜。值得注意的是，B. pseudomycoides CrR1缺乏铁载体活性，而B. pumilus CrSA22因柠檬酸代谢基因(gltA/acnA等)上游变异丧失磷酸盐溶解能力。

3.2 系统发育与基因组特征
基于162株植物相关芽孢杆菌的基因组分析显示，研究菌株与玉米根际分离株具有最高相似性（ANI>95%）。B. pseudomycoides CrR1基因组(5.3 Mbp)显著大于B. pumilus菌株(~3.6 Mbp)，且携带更多独特基因(1,370个)。

3.3 植物互作基因功能注释
毒素合成基因占比最高(30-36%)，其次是胞外多糖(EPS)相关基因(20-25%)。B. pseudomycoides表现出更强的竞争排斥能力，而B. pumilus在生物修复相关基因上更丰富。

3.4 关键促生通路基因
盐耐受差异源于B. pumilus特有的σ因子调控网络(SigB-RsbVWX)。磷酸盐溶解能力与柠檬酸合成酶(citM/citS)和碱性磷酸酶(phoA)密切相关，而铁载体功能依赖完整的bacillibactin基因簇(含bsaA水解酶)。

3.5 生物合成基因簇
B. pumilus携带11个次级代谢产物基因簇，包括抗菌物质bacilysin和lichenysin；而B. pseudomycoides的14个基因簇中9个功能未知，其paeninodin合成基因簇与已知化合物100%同源。

这项研究首次绘制了假蕈状芽孢杆菌作为生物刺激剂的基因组蓝图，揭示芽孢杆菌属物种通过"遗传工具包"的分化适应不同生态位的进化策略。特别值得注意的是，研究建立的基因型-表型关联模型（如phoA突变导致磷酸盐溶解缺陷）为精准筛选农业菌剂提供了分子标记。在实践层面，B. pumilus菌株因兼具铁载体生产和胁迫耐受特性，特别适合盐渍化土壤改良；而B. pseudomycoides独特的抗生素合成潜力则开辟了生物防治新途径。这些发现不仅填补了PGPB分子机制的知识空白，更为设计合成微生物群落(SynComs)实现精准农业提供了理论依据。