探究内生细菌防御短杆菌（Frateuria defendens）对甜瓜植株生态影响的奥秘

为探究生防菌对植物生态影响，研究人员用防御短杆菌处理甜瓜，发现其改变植株多方面特性，为农业应用提供依据。

　　在农业的大舞台上，微生物就像一群神秘的 “隐形演员”，发挥着至关重要的作用。随着现代科技的发展，微生物接种剂及其分泌的代谢产物作为生物防治手段，越来越多地活跃在农业生产中。然而，人们对于这些外来细菌进入植物自然栖息地后会产生怎样的影响，却知之甚少。就好比在一片植物的 “小世界” 里，突然来了一群新 “居民”，它们会和原本的 “居民” 相处得如何？会对整个 “小世界” 的生态环境产生什么样的改变呢？这一系列问题，成了农业研究领域亟待解开的谜团。

在这样的背景下，来自以色列 Braude College of Engineering 的生物技术工程系的 Suzana Moussa、Lilach Iasur Kruh，以及 Shamir Research Institute 的 Vered Naor，决定一起探索这个神秘的领域。他们将目光聚焦在了一种名为防御短杆菌（Frateuria defendens）的内生细菌上，这种细菌被认为是对抗植原体疾病的潜在生物防治剂。他们选择了甜瓜（Cucumis melo）作为研究的 “模型植物”，开展了一项意义非凡的研究。这项研究成果发表在了《European Journal of Plant Pathology》上，为我们揭示了许多关于植物、微生物和生物防治剂之间复杂关系的重要信息。

研究人员为了深入了解防御短杆菌对甜瓜植株的影响，采用了多种关键技术方法。首先，他们从昆虫肠道中获取了不同的防御短杆菌菌株，并对这些菌株进行培养。在培养过程中，通过离心和过滤等操作，获取含有菌株分泌的次生代谢产物的滤液。接着，利用 PCR 技术，对植物组织中的细菌进行检测，确定细菌是否成功进入并定植在植物体内。同时，采用 16S rRNA 基因扩增子测序技术，分析植物内生细菌群落的组成变化。为了探究植物汁液的抗菌特性，还进行了体外抑制实验，观察汁液对特定细菌生长的影响。

下面让我们来看看具体的研究结果：

1. 防御短杆菌菌株滤液的抑制活性：研究人员从同一地点、同一季节采集的昆虫中获得了多个防御短杆菌菌株。通过检测这些菌株滤液对蜂房螺旋体（Spiroplasma melliferum）生长的抑制作用，发现 13 个菌株中，有 9 个在培养 3 天后表现出较强的抑制活性。经过长时间培养，只有 KT - 14、KT - 15 和原始菌株 KT11 在至少 6 天后仍能保持 75% 或更高的抑制活性，因此这三个菌株被选用于后续的植物体内实验。在对甜瓜植株进行叶面喷施实验后发现，只有 KT11 菌株能够成功穿透并定植在甜瓜的内部组织中，且定植在植株的地上部分而非根部，并且在至少 10 天内没有引起植物形态的变化。这表明在应用生物防治剂时，菌株特异性非常重要，不同菌株在抑制活性和与植物宿主的相互作用方面存在显著差异。
2. KT11 在甜瓜汁液中的存在及其对抑制活性的影响：研究发现，通过叶面喷施的 KT11 菌株存在于甜瓜植株的汁液中。在喷施后的第 5 天和第 10 天，每毫升汁液中分别含有 10⁵和 10³个活的防御短杆菌细胞。这一结果再次证明 KT11 是一种能够在植物维管系统中生存的内生细菌，不过其在植物环境中的长期生存能力有限。喷施后第 5 天，KT11 处理的植株汁液在体外仍具有抑制蜂房螺旋体生长的能力，而对照植株汁液以及处理后第 10 天的植株汁液则没有这种抑制作用。在人工培养基中，KT11 细胞分泌的次生代谢产物能产生较高的抑制水平（75%），但在植物汁液环境中，抑制水平相对较低（13%），不过与未处理植株的汁液相比仍具有显著性差异。这种差异可能与细菌在不同环境中的浓度有关，在人工培养基中 KT11 浓度可达～10⁷ cells/mL，而在植物汁液中，喷施后第 5 天和第 10 天的浓度分别约为 10⁵和～10³ cells/mL，这表明细菌种群浓度与抑制性代谢产物的分泌可能存在直接关系。
3. KT11 对细菌内生群落组成的影响：植物微生物组是一个复杂的微生物群落，与宿主植物相互作用。引入外源内生菌如防御短杆菌可能会改变宿主植物原生内生细菌群落的组成。研究人员通过对喷施 KT11 菌株 5 天和 10 天后的甜瓜植株以及对照植株进行 16S rRNA 基因测序分析发现，KT11 喷施处理和采样时间均显著影响了微生物群落的组成。在处理后的植株中，某些细菌，主要是 γ - 变形菌纲（Gammaproteobacteria）的细菌变得更加占优势。值得注意的是，在处理后的甜瓜植株中检测到了防御短杆菌，且其相对丰度在喷施后 5 天到 10 天之间有所增加，尽管其绝对浓度有所下降。同时，处理后的植株中还发现了一种在对照植株中不存在的细菌属 —— 草螺菌属（Herbaspirillum），该菌属在喷施后 5 天成为优势属，但在 10 天后丰度下降，其相对丰度对 KT11 处理表现出时间依赖性响应。此外，引入外源 KT11 还导致某些原生细菌种类如产碱杆菌属（Alcaligenes）和脱氯单胞菌属（Dechloromonas）的相对丰度降低。不过，产碱杆菌属在喷施 10 天后其相对丰度有所增加，接近对照组水平，显示出一种 “恢复平衡” 的趋势，但这种趋势是否会导致新的平衡状态，还需要进一步研究。

综上所述，这项研究从生态学角度深入探讨了内生菌 - 植物之间的关系，评估了防御短杆菌（KT11 菌株）对甜瓜植株的影响。研究结果表明，这种外源内生菌会以多种方式影响健康的甜瓜植株，包括改变植物汁液的生化组成、影响植物汁液的抗菌特性，以及改变植物原生微生物组的结构和动态。处理和采样时间对 β - 多样性的显著影响，强调了在研究微生物群落对引入生物防治剂（如防御短杆菌）的动态响应时，考虑空间（处理）和时间（采样时间）因素的重要性。虽然防御短杆菌（KT11 菌株）在应用于健康甜瓜植株时，不会引起明显的植物形态变化，但其对植物的影响是多方面的，且这些影响可能会对植物的长期健康产生潜在的益处。例如，它可能通过促进与植物生长促进内生菌（如草螺菌属）的合作，为宿主植物带来积极影响。这项研究为我们理解植物与微生物之间的相互作用提供了新的视角，也为生物防治剂在农业中的可持续应用提供了重要的理论依据。