揭示Priestia megaterium VIT-2021膜囊泡在抗菌和免疫调节方面的双重作用，及其对Oryza sativa ADT38生长的促进作用

《Plant Signaling & Behavior》：Unveiling the dual role of Priestia megaterium VIT-2021 membrane vesicles as an antimicrobial and immunomodulator in supporting the growth ofOryza sativa ADT38

膜小泡介导的植物免疫调控与生长促进机制研究。通过分离表征P. megaterium VIT-2021的膜小泡（MVs），发现其含4种抗菌肽（AMPs），能剂量依赖性抑制P. syringae生长（抑菌率14.87%-92.7%），并通过下调avrE、hrpS等毒力基因表达抑制生物膜形成。在水稻中，MVs上调SA信号相关基因WRKY13、IPA1等，促进细胞壁强化（PR1表达5.51倍）和次生代谢物合成，实现抗病（感染面积降40%）与增产（IPA1激活多 tiller 分枝）。该研究为开发非活菌但保留PGPR功能的MVs生物农药提供了理论依据。

　　植物健康和农业生产力是保障全球粮食安全的重要环节。随着人口的持续增长，对粮食产量的需求也在不断上升。为了提升作物产量和生产效率，传统做法是使用化学肥料和农药，然而这些方法在提高作物生长的同时，也带来了环境污染和食品安全问题，进而影响了农业的可持续发展。因此，科学家们正在寻找一种更为环保和安全的替代方案，以提升作物的健康和抗病能力。植物促生根际细菌（PGPRs）因其能够促进植物生长和增强植物防御机制而被广泛使用，但近期研究发现某些PGPRs可能具有机会性致病性，引发对其广泛田间应用的安全担忧。因此，研究人员开始关注从PGPRs中提取的膜囊泡（MVs）作为植物免疫调节和生物防治的潜在替代品。

MVs是细菌释放的纳米级囊泡，通常尺寸在20至500纳米之间，内含多种生物分子，如核酸、蛋白质、脂质及其他小分子物质。它们不仅能够携带和保护这些生物分子，还具备良好的生物相容性，避免了使用活细菌可能带来的风险。此外，MVs在人体健康领域也有广泛应用，包括药物输送、疫苗开发、免疫调节和抗菌治疗等。然而，它们在植物免疫调节方面的研究仍较为有限。因此，本研究聚焦于MVs在农业中的应用潜力，特别是在植物抗病方面的表现。

在本研究中，科学家们选择了一种植物益生菌——Priestia megaterium VIT-2021，并对其提取的MVs进行了系统的研究。该菌株最初是从印度泰米尔纳德邦的Gobichettipalayam地区的一份生物肥料中分离出来的。研究发现，这些MVs能够显著抑制植物病原菌Pseudomonas syringae的生长，并且在体外实验中表现出良好的抗菌活性。通过蛋白组学分析，研究人员在MVs中发现了四种具有抗菌活性的抗菌肽（AMPs），这些AMPs可能在植物抗病过程中发挥了重要作用。此外，MVs还能够通过调控植物的免疫反应，显著降低P. syringae的致病性，这为MVs在农业中的应用提供了理论依据。

在植物体内实验中，研究人员使用了水稻品种Oryza sativa Aduthurai 38（ADT 38）作为实验对象，测试了MVs对P. syringae感染的抑制效果。实验结果表明，MVs处理的水稻植株表现出显著的抗病能力，感染面积和病原菌数量均明显减少。同时，MVs处理组的植株在生长和免疫相关基因的表达方面也表现出积极的变化。例如，WRKY13、IPA1、WRKY45、NPR1和PR1等基因的表达显著增强，这表明MVs能够通过激活这些基因来增强植物的免疫系统，从而有效抵御病原菌的侵袭。这些基因的增强表达不仅有助于植物细胞壁的硬化和抗菌活性的提升，还可能促进植物的生长发育，如增加分蘖、穗部分支和籽粒大小。

此外，研究还发现，MVs的抗菌作用可能与它们的物理和化学特性密切相关。例如，MVs的尺寸和浓度通过纳米粒子追踪分析仪（NTA）进行了评估，结果显示MVs的平均尺寸为277.5纳米，浓度约为2.1×10?颗粒/毫升。这些数据表明，MVs的结构稳定，能够有效保存其生物活性。同时，MVs的zeta电位为?3.6毫伏，进一步验证了其在体外和体内环境中具备良好的稳定性。

为了进一步验证MVs的抗菌作用，研究人员进行了体外实验，使用斑点法和两倍稀释法对P. syringae的生长进行评估。实验结果显示，MVs在较高浓度下对P. syringae的生长具有显著的抑制作用，而在较低浓度下抑制效果有所减弱，这表明MVs的抗菌作用具有剂量依赖性。同时，蛋白酶K处理后的MVs在抗菌活性方面表现出明显减弱，这说明MVs中的抗菌活性主要来源于其携带的蛋白质或抗菌肽。这些发现为MVs在农业中的应用提供了科学依据。

研究还发现，MVs能够通过抑制P. syringae的生物膜形成，进一步降低其致病性。通过光学显微镜和场发射扫描电子显微镜（FESEM）分析，研究人员观察到MVs处理后P. syringae的生物膜密度显著降低。定量分析结果显示，MVs在4.2×10?和2.1×10?颗粒浓度下分别抑制了52.44%和32.57%的生物膜形成，以及60.5%和48.83%的eDNA（胞外DNA）的释放。eDNA在细菌附着和生物膜结构的维持中起着关键作用，因此MVs通过抑制eDNA的释放，显著削弱了P. syringae的致病能力。

在基因表达分析方面，研究人员发现MVs处理后P. syringae的毒力基因如avrE、hrpS和mgrA的表达显著下调。这些基因的下调可能抑制了病原菌的致病机制，如阻止其效应蛋白的分泌和转运，从而降低其对植物的侵害。同时，MVs还能够通过激活植物的免疫相关基因，如WRKY13、IPA1、WRKY45、NPR1和PR1，显著增强植物的免疫系统。这些基因的表达变化不仅有助于植物细胞壁的强化和抗菌活性的提升，还可能促进植物的生长发育，如增加分蘖和籽粒大小。

综上所述，本研究发现，Priestia megaterium VIT-2021提取的MVs在体外和体内实验中均表现出良好的抗菌活性和生物防治潜力。这些MVs不仅能够抑制P. syringae的生长和生物膜形成，还能够通过调控植物的免疫相关基因，增强植物的抗病能力。此外，MVs在植物生长促进方面也展现出积极的作用，这表明它们可能在农业中具有双重功能：既能够提升作物的产量，又能够增强其抗病能力。这些发现为开发一种可持续的植物保护策略提供了新的思路，也为未来农业生产的绿色转型提供了重要的科学支持。