假单胞菌Pseudomonas protegens CS11的基因组与功能分析揭示了其通过抗真菌代谢物、根系定殖以及诱导番茄植株防御机制，实现对核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）的多重生物防治作用

《Microbiological Research》：Genomic and functional analysis of Pseudomonas protegens CS11 reveals multifaceted biocontrol mechanisms against Sclerotinia sclerotiorum via antifungal metabolites, root colonisation and plant defence induction in tomato

从60株根际细菌中筛选出8株对白粉菌（Sclerotinia sclerotiorum）具有抑制作用的菌株，其中Pseudomonas protegens CS11完全抑制其体外生长，并产生铁载体、溶菌酶及多种抗真菌代谢物（如2,4-二乙酰荧光酚葡萄糖、氢氰酸等）。基因组分析揭示其携带丰富抗真菌基因簇及定殖相关基因，温室试验证实该菌株显著提高番茄株高、叶绿素含量及防御酶活性（PAL、PPO等），并上调水杨酸（PR1, PR2, PR5）和茉莉酸（PR3, PR4, PDF1.2, VSP2）信号通路基因表达，证明其作为生物农药的潜力。

　　随着全球农业的发展，植物病害对粮食安全和农业可持续性构成了重大威胁。其中，白霉病（*Sclerotinia sclerotiorum*）是一种极具破坏性的真菌病害，已知能够感染超过700种植物（Shang et al., 2024）。这种病原菌属于腐生性真菌，能够破坏宿主的防御机制，侵入腐烂组织，导致植物萎蔫和产量下降（Bolton et al., 2006）。其生存能力得益于能够存活于土壤中长达十年的菌核（sclerotia），这种特性使得白霉病在经济作物中反复爆发，造成严重的产量损失，尤其是在番茄等作物中（Mazumdar, 2021）。

当前，合成杀菌剂仍然是控制真菌病害的主要手段（Fenta and Mekonnen, 2024）。全球化学杀菌剂市场反映了这种依赖性，其价值从2024年的241.4亿美元增长至2025年的254.5亿美元，年复合增长率达到了5.4%（The Business Research Company, 2025）。这种增长趋势主要由作物病害的增加所驱动，凸显了农业部门在满足全球粮食需求方面对化学投入的高度依赖。然而，过量使用杀菌剂对人类健康和生态环境带来了严重风险（Sharma et al., 2019），因此迫切需要开发更加环保、可持续的作物保护替代方案。

微生物生物防治，特别是拮抗根际细菌，被认为是合成杀菌剂的有力替代品。这些有益微生物自然存在于植物根部周围，不仅能够抑制植物病原菌，还能促进植物生长（Zhang et al., 2021）。尽管已有少数研究探讨了拮抗根际细菌对白霉病的防治潜力（Han et al., 2023），但针对番茄的研究仍较为有限。迄今为止，仅有三项研究在番茄中展示了白霉病茎腐的控制效果：其中两项使用了单个菌株如 *Bacillus thuringiensis* B2、*Bacillus subtilis* B10 和 *Enterobacter cloacae* B16，另一项则利用从 *Bacillus amyloliquefaciens* 中提取的 fengycin（Farzand et al., 2019）。虽然 Ouhaibi-Ben Abdeljalil 等（2016a）表明单个菌株能够部分抑制（45.92-54.44%），但使用菌株的联合应用则实现了对病害的完全控制（Ouhaibi-Ben Abdeljalil 等，2016b）。然而，这些研究并未评估拮抗根际细菌对植物生理特征、防御酶活性和核心防御基因表达的影响，也未提供细菌的基因组特征信息。因此，填补这些研究空白，特别是在拮抗根际细菌对植物生理特征、防御酶活性和核心防御基因表达的影响，以及细菌的基因组特征方面，有助于深入理解其生物防治机制，从而为开发更加可持续和有效的生物防治剂提供新的策略。

在众多根际细菌中，与植物共生的 *Pseudomonas* 属菌株因其强大的运动能力、环境适应性（Wang et al., 2025）、能够产生多种抗菌代谢物以及作为植物激发因子的能力（Yang et al., 2025），被认为是极具潜力的生物防治剂。本研究系统地探讨了 *Pseudomonas protegens* CS11 菌株，该菌株对白霉病表现出100%的抑制活性。通过基因组分析、根部定殖研究、温室验证以及对番茄植物高度、叶绿素含量、防御酶活性和核心防御基因表达的评估，我们建立了 *P. protegens* CS11 基因组特征与其生物防治效果之间的功能性联系。这些发现强调了基于 *Pseudomonas* 的生物防治剂在管理番茄白霉病中的战略应用潜力。

在本研究中，我们从马来西亚彭亨州 Cameron Highlands 一处严重感染白霉病的番茄农场中采集了根部样本。这些样本来自表现出轻微白霉病症状的番茄植株，采集时间为2022年7月。该农场的环境条件包括温度24±2°C，湿度70-90%。采集的根部样本被运送至马来亚大学农业生物技术研究中心（CEBAR）的分子生物学实验室，并在4°C条件下储存，直到处理。根际细菌的分离工作在此基础上进行，旨在筛选具有生物防治潜力的菌株。

从这些根部样本中分离出60个不同的根际细菌菌株。其中，有8个菌株（编号为 CS11、CS14、CS20、CS21、CS22、CS23、CS24 和 CS25）在体外实验中表现出对白霉病菌丝的抑制作用（图1A）。在这8个拮抗菌株中，CS11 的抑制效果最为显著，实现了对菌丝生长的完全（100%）抑制。其次是 CS14（77%），CS23（具体数据未提供）。这些菌株的抑制效果不仅体现在其对白霉病菌丝的直接作用上，还体现在其对番茄植株整体健康和生长的积极影响上。

在温室试验中，对感染白霉病的番茄植株施用 CS11 后，不仅完全抑制了病害的传播，还显著提升了植株的高度和叶绿素含量。与未施用的感染植株相比，施用 CS11 的植株表现出更高的 GLU（谷氨酸脱氢酶）、Chi（几丁酶）、PAL（苯丙氨酸氨裂解酶）和 PPO（过氧化物酶）活性。进一步的 RT-qPCR 分析表明，施用 CS11 的植株中与水杨酸（salicylic acid）和茉莉酸（jasmonic acid）相关通路的基因表达水平显著上升。这些基因包括 *PR1、PR2、PR5*（与水杨酸通路相关）和 *PR3、PR4、PDF1.2、VSP2*（与茉莉酸通路相关）。这些结果表明，CS11 不仅能够有效抑制白霉病，还能通过调节植物的防御系统来增强其抗病能力。

通过全基因组测序，我们发现 CS11 拥有多个基因簇，这些基因簇编码了重要的抗真菌代谢物，包括 2,4-二乙酰基苯并呋烷醇（2,4-diacetylphloroglucinol）、pyoluteorin、pyrrolnitrin、氢氰酸（hydrogen cyanide）以及 orfamides。这些化合物广泛存在于 *Pseudomonas* 属菌株中，已被证明在抑制多种植物病原菌方面具有重要作用。尽管 CS11 与 *P. protegens* CHA0 高度相似，但其基因组中还包含与蛋白酶生产（热稳定碱性蛋白酶）、根部定殖（环二鸟苷酸磷酸二酯酶）以及根际适应性（群体感应相关基因）相关的额外编码序列。这些独特的基因特征不仅凸显了 CS11 的新颖性，也进一步证明了其在生物防治方面的强大潜力。

此外，CS11 在运动性和根部定殖能力方面表现出色。通过运动性实验和根部定殖实验，我们确认 CS11 具有较高的运动能力，并能高效地在根际环境中建立定殖。这种高效的定殖能力使其能够在植物根部周围形成稳定的微生物群落，从而持续地抑制病原菌的生长。同时，运动性实验也表明 CS11 能够迅速移动至感染区域，提高其在病害防控中的响应速度。

在基因层面，我们使用16S rRNA测序和多基因位点序列分析（Multi-locus sequence analysis）对 CS11 进行了分子鉴定。结果表明，CS11 属于 *Pseudomonas protegens*。这一鉴定结果为后续的基因组分析提供了基础，也进一步支持了 CS11 在生物污染防治中的应用价值。通过全基因组测序，我们不仅揭示了 CS11 基因组中编码抗真菌代谢物的基因簇，还发现了其在蛋白酶生产、根部定殖和根际适应性方面的额外基因。这些基因的共同作用使得 CS11 能够在复杂环境中有效发挥其生物防治功能。

从功能角度来看，CS11 所表现出的多种抗真菌代谢物和生理特性，表明其在抑制病原菌方面具有多途径的防御机制。这种多途径的防御机制不仅提高了其生物防治效果，也增强了其在不同环境条件下的适应性。例如，2,4-二乙酰基苯并呋烷醇（2,4-diacetylphloroglucinol）是一种广谱抗菌化合物，能够有效抑制多种真菌和细菌的生长。而 pyrrolnitrin 和 pyoluteorin 则是 *Pseudomonas* 属菌株中常见的抗菌代谢物，具有显著的抗真菌活性。此外，氢氰酸（hydrogen cyanide）也是一种重要的抗菌化合物，能够干扰病原菌的代谢过程，从而抑制其生长。这些抗真菌代谢物的共同作用，使得 CS11 能够在多种条件下有效抑制白霉病的传播。

除了抗真菌代谢物，CS11 还表现出多种促进植物生长的特性。例如，CS11 能够产生铁载体（siderophore），这种物质能够促进植物对铁元素的吸收，从而提高其生长能力。此外，CS11 还能够进行氮素同化和磷的溶解，这些过程能够改善土壤的养分状况，为植物提供更丰富的营养来源。同时，CS11 还能够产生裂解酶（lytic enzyme），这种酶能够分解病原菌的细胞壁，从而抑制其生长。这些促进植物生长的特性，不仅有助于提高作物的产量，还能够增强其对病害的抵抗力。

在温室试验中，我们观察到 CS11 对番茄植株的生长具有显著的促进作用。与未施用的感染植株相比，施用 CS11 的植株不仅在高度和叶绿素含量方面表现出明显提升，还在防御酶活性和核心防御基因表达方面具有更高的水平。这表明，CS11 能够通过调节植物的生理和免疫系统，提高其抗病能力。同时，这些结果也表明，CS11 在番茄种植中的应用不仅能够有效控制白霉病，还能提高作物的整体健康状况。

综上所述，本研究不仅揭示了 *P. protegens* CS11 在抑制白霉病方面的强大潜力，还展示了其在促进植物生长和增强植物抗病能力方面的多重作用。通过基因组分析，我们进一步明确了 CS11 在抗真菌代谢物生产、根部定殖和根际适应性方面的基因基础。这些发现为开发基于 *Pseudomonas* 的生物防治剂提供了坚实的科学依据，也为未来在农业中推广和应用这些微生物提供了新的思路和方向。

本研究还为未来的研究提供了重要的参考。例如，可以进一步探讨 CS11 在不同土壤类型和环境条件下的适应性，以及其在其他作物中的应用潜力。此外，还可以研究 CS11 与其他微生物的协同作用，以开发更加高效的生物防治策略。同时，对 CS11 所产生的抗真菌代谢物和促进植物生长的物质进行深入分析，有助于揭示其作用机制，为未来的生物防治剂设计提供理论支持。

总之，*P. protegens* CS11 在控制白霉病方面展现出卓越的生物防治效果，同时还能促进植物的生长和增强其抗病能力。这一菌株的发现不仅为农业生物防治提供了新的候选者，也为未来的可持续农业发展提供了新的希望。通过深入研究其基因组特征和生物防治机制，我们可以进一步优化其应用策略，提高其在实际农业生产中的效果。同时，这些研究也为其他作物的病害防控提供了借鉴，有助于推动微生物生物防治技术在农业中的广泛应用。