土壤原生生物Naegleria通过调控根际有益菌功能提升植物健康的新机制

本研究针对植物有益菌田间应用效果不稳定的问题，通过多组学技术揭示了土壤变形虫Naegleria通过"捕食-诱导"双重机制增强合成菌群抑制青枯病菌的效果。研究发现Naegleria能特异性富集贝莱斯芽孢杆菌Bacillus velezensis SQR9，促进生物膜形成基因epsA-O和tapA-sipW-tasA操作子表达，并上调聚酮合酶基因簇合成macrolactin H等抗菌物质。该发现为开发原生生物-细菌协同的生物防治策略提供了新思路。

　　

在可持续农业发展的迫切需求下，如何提高植物根际有益微生物的实际应用效果已成为当前研究的重点难点。虽然芽孢杆菌Bacillus等植物根际促生菌(PGPR)在实验室条件下展现出良好的病原菌抑制能力，但当这些有益菌被施用到复杂的田间环境中时，往往面临生存率快速下降、功能表达不稳定等挑战。这种"实验室-田间"效果差异严重限制了微生物肥料和生物农药的实际应用价值。

究其根源，土壤是一个充满竞争关系的微观世界。引入的有益菌需要与土著微生物争夺有限的营养资源，同时还要应对原生生物等微型捕食者的捕食压力。有趣的是，科学研究发现这种捕食压力并非完全负面——某些原生生物能够通过选择性捕食，间接调节微生物群落结构，甚至激活细菌的防御机制。然而，关于不同捕食类型的原生生物如何影响有益菌功能表达，特别是对生物膜形成和次级代谢产物合成的调控机制，至今尚不明确。

针对这一科学问题，南京农业大学沈其荣院士团队在《Nature Communications》上发表了创新性研究成果。研究团队以番茄青枯病为模型系统，选取两种捕食方式不同的原生生物（表面取食的Naegleria变形虫和悬浮取食的Cercomonas鞭毛虫），结合合成微生物群落(SynCom)技术，系统揭示了原生生物通过调控根际有益菌功能提升植物健康的新机制。

研究人员首先通过体外实验发现，Naegleria对病原菌Ralstonia solanacearum具有显著捕食偏好性，其与SynCom协同使用时对病原菌的抑制效果比单独使用SynCom提高74.29%。盆栽实验进一步证实，Naegleria与SynCom组合处理显著促进了番茄植株生长，株高和鲜重分别增加29.23%和20.61%。

研究的关键突破在于揭示了Naegleria对有益菌功能的多维度调控。通过结晶紫染色法和重力测量法发现，Naegleria能使SynCom的生物膜生物量增加2.44倍，而Cercomonas则表现出抑制作用。种群动态追踪显示Naegleria特异性富集了Bacillus种群，并促进了Bacillus与Pseudomonas之间的正相关关系。

宏转录组分析揭示了更为精细的分子机制。在Naegleria存在下，B. velezensis SQR9中与生物膜形成相关的epsA-O操作子（负责胞外多糖合成）和tapA-sipW-tasA操作子（编码淀粉样纤维）表达显著上调。更重要的是，聚酮合酶(PKS)基因簇表达增强，其中macrolactin H、bacillaene和difficidin等抗菌物质合成基因在SynCom背景下表现出协同上调现象。

通过构建B. velezensis SQR9的基因缺失突变体，研究人员进一步验证了特定基因功能的重要性。发现macrolactin H合成缺陷突变体(Δmln)在Naegleria存在时无法维持种群优势，说明该抗菌物质在细菌-原生生物互作中起着关键作用。

在技术方法层面，本研究整合了多种创新性实验策略：通过原生生物分离培养和18S rRNA基因鉴定获得Naegleria和Cercomonas菌株；构建七株根际细菌组成的SynCom进行多物种互作研究；利用qPCR绝对定量技术追踪种群动态；采用结晶紫染色和重力测量法定量生物膜形成；通过宏转录组测序分析基因表达谱；并利用基因缺失突变体验证功能基因的作用。

Predation preferences and effects of the SynCom on plant performance

研究发现两种原生生物对病原菌R. solanacearum均表现出捕食偏好性，其中Naegleria的捕食效率更高。在平板实验中，Naegleria与SynCom协同作用显著增强了病原菌抑制效果。盆栽实验证实这种协同效应能有效促进番茄生长。

Impact of protists on bacterial biofilm formation

Naegleria显著促进SynCom生物膜形成，而Cercomonas则产生抑制作用。种群相关性分析显示Naegleria诱导了Bacillus与Pseudomonas之间的正相互作用，表明原生生物捕食压力能重塑微生物互作网络。

Naegleria sp. enhances specific gene expression in B. velezensis

宏转录组分析揭示Naegleria特异性上调B. velezensis SQR9的生物膜形成基因和次级代谢基因表达。值得注意的是，PKS基因簇的表达仅在SynCom背景下被激活，说明群落环境对基因表达调控至关重要。

Naegleria sp. promotes the abundance of B. velezensis in the tomato rhizosphere

盆栽实验验证Naegleria能显著提高根际土壤中Bacillus的相对丰度。通过16S rRNA基因测序和序列比对，确认富集的Bacillus zOTU与接种的B. velezensis SQR9具有100%序列相似性。

本研究通过多维度实验证据阐明，土壤变形虫Naegleria通过三重机制增强植物健康：直接捕食病原菌、富集有益菌种群、诱导有益菌功能表达。特别重要的是，Naegleria对B. velezensis的调控作用依赖于群落环境，在SynCom中能激活单独培养时无法实现的基因表达模式。该研究不仅深化了我们对土壤微生物网络互作的理解，更重要的是为设计更稳定的微生物接种剂提供了新策略——通过合理利用原生生物与有益菌的协同作用，有望突破当前微生物农业应用的技术瓶颈。

研究结果强调，将原生生物纳入土壤微生物管理策略，能够通过调控细菌的生物膜形成和抗生素合成等关键功能，提升有益菌的根际定殖能力和功能稳定性。这种"原生生物-细菌"协同的生态系统工程方法，为发展下一代可持续农业技术提供了重要理论依据和实践方向。