解磷芽孢杆菌通过菌株特异性途径实现功能趋同的机制解析

《ISME Communications》：Strain-specific strategies underlie convergent phosphate solubilization in Bacillus

本研究针对低溶解性磷肥（如BCplus）利用率低的问题，通过多组学分析比较两种芽孢杆菌（B. velezensis DSM 23117和B. licheniformis COM1）的解磷策略。研究发现尽管两者均能有效溶解BCplus中的磷，但B. velezensis通过快速激活Pho调节子、有机酸生产和硝酸盐呼吸实现早期解磷，而B. licheniformis依赖苹果酸驱动酸化和异化硝酸盐还原铵等缓慢适应机制。该研究揭示了功能趋同背后的代谢多样性，为设计针对低输入系统的微生物接种剂提供了理论基础。

　　

在农业生产中，磷是植物生长不可或缺的营养元素，但土壤中绝大多数磷以难溶性形式存在，植物直接利用率极低。传统磷肥的过度使用不仅造成水体富营养化，还加速了有限磷资源的枯竭。面对2050年全球农业磷需求预计增长86%的严峻挑战，开发可持续的磷管理方案迫在眉睫。其中，利用微生物提高难溶性磷源的有效性已成为研究热点。

磷酸盐溶解细菌（PSB）能够通过分泌有机酸、质子等方式活化土壤中的难溶性磷，是提高磷利用效率的关键生物因子。BC^plus作为一种新型磷肥，由热解动物骨骼制成并富含硫化合物，其低溶解性特点使得微生物的活化作用尤为重要。然而，不同PSB菌株是否采用相同机制解磷，还是通过不同途径实现相同功能，这一科学问题尚未明确。

为此，Stefanie Katharina Thaqi等研究人员在《ISME Communications》上发表了题为"Strain-specific strategies underlie convergent phosphate solubilization in Bacillus"的研究论文。该研究通过整合基因组学、转录组学和代谢组学方法，比较了两种芽孢杆菌（Bacillus velezensis DSM 23117和Bacillus licheniformis COM1）在BC^plus作为唯一磷源条件下的响应机制。

关键技术方法

研究团队从长期不施磷肥的农田土壤中分离PSB菌株，选用商业接种剂B. velezensis DSM 23117作为参照。通过全基因组测序分析菌株的植物促生长（PGP）特性基因，采用Belitzky最小培养基进行培养实验，设置全磷（1 mM KH₂PO₄）、磷限制（0.3 mM KH₂PO₄）和BC^plus（3.8 g L^-1）三种处理。在6小时和48小时时间点采集样本，进行RNA测序分析基因表达，并通过LC-MS技术检测代谢物变化。

菌株特性与生长表现

基因组分析显示，两种芽孢杆菌均含有完整的Pho调节子（磷酸盐应激响应系统）和磷酸盐溶解相关基因，但基因组成存在差异。B. licheniformis含有speA（植物激素相关基因），而B. velezensis具有prpE（有机酸代谢基因）。生长实验表明，两种菌在BC^plus作为唯一磷源时均能良好生长，且生长速率甚至超过全磷处理，表明BC^plus中的硫和微量元素可能促进了微生物活性。

磷酸盐溶解能力

两种菌株均能在72小时内从BC^plus中溶解约3 mg kg^-1的磷，并显著降低培养基pH值。B. velezensis在3小时即开始溶解磷，24小时时溶解量显著高于B. licheniformis，表现出更快的响应速度。然而到48-72小时，两种菌株的磷溶解量趋于一致，表明它们通过不同时间动态实现了相似的解磷效果。

转录组学特征

主成分分析显示，菌株身份是转录差异的主要驱动因素（解释约69%的方差），而磷处理和时间点的影响相对较小。这表明两种芽孢杆菌对BC^plus的响应具有显著的菌株特异性。

B. velezensis对BC^plus表现出快速而广泛的转录响应，6小时即有167个基因上调，包括有机酸代谢（paas，pyc，accC）、IAA前体生物合成（trpD）和硝酸盐呼吸相关基因（narK，narGHJI）。相反，B. licheniformis的响应较慢，6小时仅32个基因上调，主要涉及甘油-3-磷酸摄取（ugpE）、硝酸盐/亚硝酸盐还原（narKIJHZ，nirBD）和苹果酸合成（aceB）。

代谢途径差异

B. velezensis采用"快速响应策略"，早期激活丙酮酸羧化酶（pyc）促进草酰乙酸合成，同时诱导磷酸盐转运蛋白pit和磷酸应激标记phoH。其有机酸生产和氮同化相关途径的快速启动，与早期磷释放相吻合。而B. licheniformis则采用"缓慢适应策略"，依赖苹果酸合成酶（aceB）和后期柠檬酸/琥珀酸转运蛋白（citT）的诱导，实现渐进式酸化和磷溶解。

营养元素互作

研究发现BC^plus处理诱导了磷、氮、硫代谢的紧密耦合。两种菌株均上调了硝酸盐还原酶基因（nar操作子），但调控模式不同。B. licheniformis通过fdhD（为钼辅因子提供硫）和异化硝酸盐还原铵（DNRA）途径的连续激活，整合了磷、氮、硫代谢。而B. velezensis则表现出更广泛的硫应激程序，包括硫转运蛋白（sulP）和硫化物解毒基因（yrk）的诱导。

植物促生长特性

两种菌株还表现出不同的植物促生长（PGP）特性。B. licheniformis在48小时上调核黄素生物合成基因（ribA，ribD，ribE），可能通过促进根系生长和系统抗性间接增强植物营养吸收。而B. velezensis在6小时即激活莽草酸途径（aroK）和IAA生物合成相关基因（trpD，yhcX），表现出更早的植物互作准备。

研究结论与意义

该研究揭示了芽孢杆菌通过菌株特异性策略实现磷酸盐溶解功能趋同的分子机制。B. velezensis源自贫营养土壤，采用快速、可塑性强的适应策略，而B. licheniformis源自堆肥环境，表现出缓慢、稳健的适应特点。这种功能趋同背后的代谢多样性，反映了微生物对其生态历史的适应。

研究结果强调了在低输入农业系统中，需要考虑菌株特异性途径来优化微生物接种剂设计。将BC^plus等替代磷肥与具有互补功能的PSB菌株结合，可能通过协同作用增强养分循环和植物生产力。未来研究应验证这些发现在田间条件下的适用性，并探索如何利用功能多样性构建高效微生物群落。

这一工作为理解微生物在养分循环中的功能冗余和特异性提供了新视角，对推动可持续农业发展具有重要意义。