酸性环境驯化贝莱斯芽孢杆菌通过代谢互作抑制辣椒炭疽病菌及促进植物健康的机制研究

本研究通过梯度驯化获得耐酸型贝莱斯芽孢杆菌（Bacillus velezensis）XY40-1，揭示其通过调控孢子形成基因（sigE/dpaB/PrkA）、非核糖体肽合成途径（srfAA/AC/AD）及淀粉环素（acnA）等分子机制，在pH 4条件下显著抑制辣椒炭疽病菌（Colletotrichum capsici）生长（抑制率83.55%），并激活过氧化物解毒基因（katA/ahpF/ahpC）。双RNA测序（dual RNA-Seq）解析了酸胁迫下微生物互作的转录组特征，为农业生物防治提供新策略。

　　

摘要

土壤酸化加剧辣椒炭疽病（Capsicum anthracnose）的流行，本研究通过酸性梯度驯化获得能在pH 4生长的贝莱斯芽孢杆菌（Bacillus velezensis）XY40-1。该菌株通过调控孢子形成相关基因（如sigE、dpaB）适应酸性环境，在体外共培养中对辣椒炭疽病菌（Colletotrichum capsici）抑制率达83.55%，田间试验使病害指数降低76.67%。转录组分析揭示，酸性条件下菌株通过淀粉环素（acnA调控）直接抑菌，中性条件下则上调过氧化物解毒基因（katA/ahpF/ahpC）。双RNA测序（dual RNA-Seq）首次系统解析了二者互作的分子机制。

材料与方法

菌株驯化与培养：从辣椒叶片分离的XY40-1经pH 5.0至2.0梯度驯化，在pH 4.0时活菌数提升66.27%。采用LB（pH 7.0）和PDA（pH 6.0）培养基，土壤酸化模拟通过HCl/CaO调节至pH 4和7。
抑菌实验：共培养7天后，酸驯化菌株使病原菌菌丝形态紧缩，抑制率显著高于野生型（WT）。辣椒植株接种试验显示，pH 4处理组病害指数降低63.33%。
转录组分析：采集共培养10天的样本，通过Illumina NovaSeq 6000进行双RNA测序，差异基因（DEGs）筛选标准为|log₂FC|>1且FDR<0.05。

结果

酸耐受与生长特性：驯化菌株在pH 4.0的滞后期缩短3小时，OD₆₀₀达1.453（图1B）。孢子形成基因（sigE/dpaB）下调表明其通过减少休眠孢子适应酸性环境。
抑菌机制：

• 酸性条件：淀粉环素合成基因（acnA）和组氨酸代谢基因（HutH）显著富集，直接破坏病原菌细胞壁。
• 中性条件：过氧化物酶基因（katA/ahpF/ahpC）上调，清除活性氧（ROS）。
  病原菌响应：
• 共同通路：类胡萝卜素合成基因（ylo-1）和核糖体基因（cns1）参与氧化应激。
• 酸性特异：色氨酸代谢（cat-1）和淀粉代谢（gbeA）维持细胞壁完整性。
• 中性特异：糖酵解基因（PDA1）和MAPK通路基因（cdc42）调控菌丝极性生长。

讨论

酸驯化策略：与传统生物防治菌株相比，XY40-1通过下调孢子形成基因（如PrkA）提升酸性环境存活率，突破土壤酸化对生防效能的限制。
代谢互作网络：

• 非核糖体肽（srfAA/AC/AD）和色氨酸合成基因（trpC/D/E）协同促进植物生长素（IAA）合成，增强辣椒抗性。
• 病原菌通过丝氨酸羟化酶（SHMT）和过氧化物酶（cat-1）抵抗细菌侵袭，但酸驯化菌株仍能通过淀粉环素突破其防御。
  应用前景：该研究为酸性土壤中辣椒炭疽病的绿色防控提供菌种资源和理论依据，推动可持续农业发展。

结论

酸驯化贝莱斯芽孢杆菌通过多机制协同抑制辣椒炭疽病：酸性条件下依赖淀粉环素直接抑菌，中性条件下激活抗氧化防御系统。病原菌则通过代谢重编程（如MAPK通路）抵抗细菌侵袭。研究成果为复杂环境下的微生物互作研究提供新范式。