墨西哥米尔帕农业生态系统中根际链霉菌的植物促生与生物防治功能基因组学与表型特征研究

《BMC Microbiology》：Functional genomics and phenotypic characterization of PGP and biocontrol traits of rhizospheric Streptomyces spp. from Mexican milpa agroecosystem

为探索传统米尔帕(Milpa)农业生态系统作为有益微生物资源库的潜力，本研究首次聚焦其根际链霉菌(Streptomyces spp.)。研究人员从本土玉米、蚕豆、南瓜等植物根际分离菌株，通过体外功能表征、温室促生实验及比较基因组学分析，揭示了菌株FR-108和MR-45等具有显著的促生和生防潜力，其基因组富含营养获取、胁迫耐受及抗菌代谢物合成相关基因，为开发可持续农业生物接种剂提供了重要资源。

　　

在追求农业可持续发展的全球背景下，传统农业生态系统因其丰富的生物多样性和生态稳定性日益受到重视。墨西哥的米尔帕(Milpa)是一种古老的中美洲农业生态系统，以玉米、豆类和南瓜的间作套种为特征，依赖本地资源，保护生物多样性，是可持续农业的典范。然而，与现代集约农业大量使用化肥农药不同，米尔帕系统的生产力维持机制，特别是其土壤微生物，尤其是具有植物促生(PGP)和生物防治潜力的微生物资源，尚未得到充分探索。其中，放线菌门(Actinobacteria)的链霉菌属(Streptomyces)以其产生多种抗菌物质和促进植物生长的能力而闻名，但在米尔帕系统中的研究几乎空白。

为了解决这一问题，研究人员在《BMC Microbiology》上发表了题为“Functional genomics and phenotypic characterization of PGP and biocontrol traits of rhizospheric Streptomyces spp. from Mexican milpa agroecosystem”的研究论文。该研究首次系统地从米尔帕生态系统中不同植物（包括本土Cacahuacintle玉米、蚕豆、南瓜和huauzontle）的根际分离链霉菌菌株，综合运用表型分析、温室实验和比较基因组学方法，深入揭示了这些根际链霉菌的植物促生和生物防治潜力及其遗传基础。

研究人员主要运用了微生物分离培养、体外植物促生性状（如溶磷、产铵、铁载体产生等）和真菌拮抗活性测定、温室植物促生实验、16S rRNA基因测序进行初步鉴定、全基因组测序与系统发育基因组学分析、比较基因组学与功能注释（使用PLABase和antiSMASH等工具）以及生物信息学分析（如平均核苷酸一致性ANI、平均氨基酸一致性AAI和基因组DNA-DNA杂交dDDH计算）等关键技术方法。研究样本来源于墨西哥城特拉尔潘区圣安德烈斯·托托尔特佩克的一处传统米尔帕农田。

植物促生和真菌拮抗能力的体外表征

从米尔帕植物根际共分离到44个链霉菌形态型。研究发现，这些菌株在体外表现出多样的植物促生活性，包括在缺氮培养基上生长（氮贫营养）、从蛋白胨水中产生铵、溶解磷酸钙（Ca₃(PO₄)₂）、产生铁载体以及分泌胞外酶（如几丁质酶、蛋白酶、纤维素酶）。此外，约半数菌株对三种植物病原真菌（尖孢镰刀菌Fusarium oxysporum、玉米平脐蠕孢菌Helminthosporium maydis和胶孢炭疽菌Colletotrichum gloeosporoides）具有拮抗作用。通过热图聚类分析，将菌株分为三个主要类群（A、B、C），其中C类群（包含来自玉米、南瓜和蚕豆的菌株）表现出最广泛的PGP和抗真菌活性。

分子鉴定与系统发育基因组学鉴定

基于16S rRNA基因的部分序列，所有分离株被鉴定为链霉菌属，但无法精确到种水平。随后，对体外性状突出的四个菌株（FR-108, MR-37, MR-45, SR-10）进行了全基因组测序和系统发育基因组学分析。结果表明，菌株MR-45被鉴定为灰色链霉菌(Streptomyces griseus)，菌株SR-10被鉴定为环圈链霉菌(Streptomyces anulatus)，菌株MR-37被鉴定为白黄链霉菌(Streptomyces albidoflavus)。而菌株FR-108与已知种（如Streptomyces kroppenstedtii和S. ortus）的基因组相似性指标（dDDH, ANI, AAI）均高于物种界定阈值，提示其可能是一个新物种，有待进一步分类学确认。

链霉菌菌株在温室 assays 中对玉米的促生作用

选择体外PGP和生防性状突出的10个菌株进行温室玉米促生实验。结果表明，接种链霉菌菌株对玉米生长有不同程度的促进。特别值得注意的是，来自蚕豆根际的链霉菌sp. FR-108和来自玉米根际的灰色链霉菌S. griseus MR-45显著增加了玉米植株的鲜重和干重生物量，分别比未接种对照增加了204%和151%，显示出显著的促生潜力。

链霉菌菌株的基因组特征及促生和生防潜力的比较基因组学分析

对四个测序菌株的基因组分析显示，它们具有链霉菌典型的线性染色体、高GC含量（71%-73.5%）和较大的基因组大小（6.97 - 9.26 Mbp）。通过antiSMASH分析，在每个菌株中预测了12至16个生物合成基因簇(BGCs)，其中包含可能具有抗菌、抗真菌、金属载体（如铁载体）活性的次级代谢产物基因簇，例如FR-108中的铝氟芬酮(albaflavenone)和scabichelin，SR-10中的wartimycin和griseobactin，MR-37中的candicidin和surugamide，以及MR-45中的griseobactin和auricin。

进一步利用PLABase数据库进行功能比较基因组学分析，揭示了菌株在植物-细菌互作直接机制（如生物肥料功能——氮、磷、钾、铁获取，植物信号分子如植物激素生产，生物修复潜力）和间接机制（如植物系统定殖、竞争排斥、刺激植物免疫反应、胁迫控制/生物防治）方面丰富的遗传潜能。系统发育和功能聚类分析将包括本研究菌株在内的多个链霉菌参考菌株分为三个进化枝。值得注意的是，来自蚕豆根际的链霉菌sp. FR-108在其基因组中编码了最丰富的直接和间接植物互作相关基因。而来自玉米根际的灰色链霉菌MR-45和环圈链霉菌SR-10（来自南瓜根际）也含有广泛的PGP和生防相关遗传特征。

本研究得出结论，传统米尔帕农业生态系统的根际是植物促生和生防链霉菌的宝贵资源库。分离到的链霉菌菌株，特别是Streptomyces sp. FR-108和S. griseus MR-45，在体外和温室实验中均表现出显著的促进植物生长和拮抗病原真菌的能力。比较基因组学分析进一步从遗传水平揭示了这些菌株具备与植物建立有益互作的多方面潜能，包括营养活化、胁迫耐受、系统抗性诱导以及产生多种抗菌活性物质。这些发现不仅深化了对传统可持续农业生态系统微生物资源生态功能的理解，更重要的是为开发用于可持续农业或生态农业的高效链霉菌基生物接种剂提供了有前景的菌种资源和理论依据。研究强调了保护传统农业做法和本地作物品种作为有益微生物库的重要性，以应对全球农业面临的气候变化和可持续集约化等挑战。