基于宏基因组学的核桃根际促生菌Bacillus cereus OTU8977的鉴定及其促进核桃生长的机制研究

本研究针对核桃园土壤环境恶化导致的产量和品质下降问题，通过宏基因组测序技术对中国8个主要核桃产区的根际微生物群落进行分析，鉴定出具有多重促生功能的Bacillus cereus OTU8977菌株。研究发现该菌株通过固氮、溶磷、解钾等功能优化根际微生态，并通过激活苯丙烷生物合成（Phenylpropanoid biosynthesis）和碳水化合物代谢（Carbohydrate metabolic process）通路显著促进核桃生长，为开发核桃专用微生物肥料提供了理论依据。

　　

核桃作为重要的木本油料作物，其果实富含不饱和脂肪酸和蛋白质，具有极高的经济价值和健康效益。然而，近年来由于粗放的果园管理，我国核桃主产区的土壤环境持续恶化，导致产量和品质双双下滑。这一困境背后，是人们对核桃根际微生物群落认知的不足——尽管植物根际促生菌(PGPR)在改善土壤质量和促进作物生长方面已被广泛研究，但关于PGPR如何促进核桃生长的机制仍是一片空白。

山东农业大学的研究团队在《BMC Plant Biology》发表的研究中，首次通过多组学技术揭示了核桃根际核心微生物组的组成特征及其促生机制。研究人员采集了中国8个主要核桃产区的根际土壤样本，利用宏基因组测序鉴定出150个共享核心扩增子序列变异(ASVs)，并通过分离培养获得30株潜在PGPR菌株。其中Bacillus cereus OTU8977表现出最强的溶磷能力（205.29 mg/L），系统发育分析显示其与KU179332菌株亲缘关系最近。

研究采用温室和田间试验相结合的方法，通过16S rRNA测序、转录组分析和生理指标测定等技术手段，系统评估了OTU8977菌株的促生效应。结果显示，接种该菌株90天后，核桃苗株高和根长分别增加17.09%和14.96%，根系鲜重和干重最高提升61.68%。田间试验中，接种组核桃树的净光合速率(A)和蒸腾速率(E)分别提高40.70%和36.87%。

土壤理化性质分析
对8个产区根际土壤的检测显示，pH值跨度达6.01-8.28，有效氮(AN)、磷(AP)、钾(AK)含量差异显著（图1）。其中河北邢台(HBXT)和辽宁大连(LNDL)的AN、AP、AK含量显著高于其他地区，这与后续菌株分离结果形成地理对应。

微生物群落结构解析
宏基因组测序获得17.87亿条高质量reads，注释到37个细菌门和1200个属。优势菌门为厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)和变形菌门(Proteobacteria)，核心菌属包括链霉菌属(Streptomyces)和慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)。通过Spearman相关性分析发现，假红平菌属(Pseudorhodoplanes)与AN含量呈显著正相关(R=0.86)，农杆菌属(Agrobacterium)与土壤有机质(SOM)含量密切相关（图3A）。

促生菌株功能验证
从30株分离菌株中筛选出的OTU8977，其溶磷能力显著优于其他菌株（图3B）。系统发育树显示该菌株与Bacillus cereus KU179332聚为一支（图3C）。接种该菌株后，核桃根际土壤的AN、AP、AK含量分别提升15.52%、13.65%和23.23%，根内全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)含量同步增加21.83%、14.79%和23.63%。

微生物群落调控机制
16S rRNA测序显示，接种组细菌ASV丰富度显著增加（图5B），酸杆菌门(Acidobacteriota)相对丰度从17.94%提升至20.42%（图5E）。功能预测(PICRUSt2)表明，接种组微生物的苯丙氨酸代谢和戊糖磷酸途径显著增强（图5F）。

分子机制揭示
转录组分析鉴定到4731个差异表达基因(DEGs)，其中苯丙烷生物合成和碳水化合物代谢通路基因显著上调（图6C）。qRT-PCR验证发现，果胶甲酯酶基因(PME12)和纤维素合酶基因(CesA7)表达量增加2-3倍（图6F），这些基因参与细胞壁构建和糖代谢过程。

该研究不仅首次鉴定了核桃专用促生菌Bacillus cereus OTU8977，还系统阐明了其通过"土壤改良-微生物调控-基因表达激活"三级作用网络促进核桃生长的机制。特别值得注意的是，菌株诱导的苯丙烷代谢增强可能通过提高木质素合成来强化根系结构，而碳水化合物代谢的激活则为植物生长提供了能量基础。这些发现为开发核桃专用微生物肥料提供了精准靶点，对实现核桃产业的可持续发展具有重要实践价值。研究团队建议后续应开展菌株基因组安全性评估和大田推广试验，以加速成果转化应用。