植物根际促生菌(PGPR)间交叉喂养的代谢组学解析：揭示微生物互作中的化学通讯机制及其农业应用潜力

本研究针对植物根际促生菌(PGPR)间化学通讯机制不清的科学问题，通过LC-MS代谢组学技术结合多变量统计分析，揭示了Priestia megaterium PM与Pseudomonas fluorescens NO4通过交叉喂养(MCF)介导的代谢重编程现象。研究发现交叉喂养导致初级代谢物(氨基酸、糖类)减少而次级代谢物(表面活性素、水杨酸等)增加，这些代谢物在植物抗逆和生长促进中发挥关键作用，为开发基于微生物互作的农业生物刺激剂提供了理论依据。

　　

在植物与微生物共演化的漫长历程中，根际微生物组如同一个精密的"地下社交网络"，其中植物生长促进根际细菌(PGPR)通过复杂的化学对话促进植物健康。然而，这些微小生命体之间的"交流语言"——特别是不同PGPR菌株间通过代谢物交换建立的交叉喂养(MCF)机制——仍是未解之谜。现有研究表明，这种代谢互作可能影响微生物群落结构及其植物促生功能，但具体分子机制和生态意义亟待阐明。

南非约翰内斯堡大学(University of Johannesburg)生物化学系的研究团队在《Microbial Ecology》发表的最新研究，首次采用高分辨率代谢组学技术揭示了PGPR菌株Priestia megaterium PM与Pseudomonas fluorescens NO4间的化学通讯网络。研究人员通过创新性地设计交叉喂养实验模型，结合液相色谱-质谱(LC-MS)和多变量统计分析，解码了微生物"代谢语言"如何塑造其互作模式，为理解根际微生物生态功能提供了新视角。

研究主要采用三种关键技术：1) 跨菌株交叉喂养实验设计，将受体菌培养于供体菌条件培养基中建立互作模型；2) 超高效液相色谱-四极杆飞行时间质谱(UPLC-Q-TOF MS)进行非靶向代谢组分析；3) 通过分子网络(GNPS)和多元统计(PLS-DA)解析代谢特征。实验设置6个时间点(0-36小时)动态监测，每组包含3个生物学重复。

代谢组学揭示交叉喂养的代谢重编程
通过比较对照与交叉喂养组的代谢谱，研究发现受体菌在供体条件培养基中表现出明显的代谢适应。氨基酸和糖类等初级代谢物显著减少，而表面活性素(Surfactin)、水杨酸(SA)等次级代谢物增加，表明微生物为应对营养竞争启动了防御性代谢程序。

微生物互作的双面性：竞争与协作共存
生长曲线分析显示交叉喂养导致菌体生物量轻微下降，反映营养限制的竞争效应。但分子网络分析发现菌株间存在代谢互补——如P. fluorescens NO4分泌的甘露醇被P. megaterium PM利用，而后者产生的表面活性素可能作为信号分子调节群体行为，体现"化敌为友"的生态智慧。

关键代谢通路的重构
代谢通路分析(MetPA)显示苯丙氨酸-酪氨酸-色氨酸生物合成等初级代谢通路在对照组活跃，而交叉喂养组中吩嗪和铁载体等次级代谢通路显著激活。特别是表面活性素B-C₁₃在所有时间点持续积累，暗示其在微生物互作中的核心作用。

这项研究首次系统描绘了PGPR交叉喂养引发的代谢景观变化，揭示微生物通过动态平衡竞争与合作来适应环境压力的策略。其科学价值在于：1) 阐明次级代谢物作为微生物"通用语言"的生态功能；2) 为设计合成微生物群落提供理论框架；3) 发现的生物活性分子(如表面活性素)可直接应用于开发生物农药和生物刺激剂。正如通讯作者Msizi I. Mhlongo强调的，理解这种微观层面的"代谢外交"，将助力我们解锁微生物组在可持续农业中的全部潜力。

研究创新性地将代谢组学与微生物生态学交叉融合，其方法论对土壤微生物组研究具有普适价值。未来需在更复杂的微生物群落中验证这些发现，并探索如何通过调控营养供应来优化有益代谢物的生产。这项成果标志着向"设计根际"迈出的关键一步，为替代化学投入品的生态农业解决方案奠定基础。