luxS基因突变体联合菌群增强贝莱斯芽孢杆菌功能稳定性及促生机制研究

本研究针对合成微生物群落功能稳定性难题，以贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis)SQR9突变株为对象，构建含ΔluxS突变株的功能互补联合菌群。通过测定生物膜形成、青枯菌(Ralstonia solanacearum)拮抗能力及盆栽试验，发现含ΔluxS的41号联合菌群(ΔmcpA/ΔluxS/ΔSQR9-E)能通过维持Spo0A/RsbX等基因功能显著提升番茄促生效果，为合成菌群设计提供新策略。

　　

在农业微生物领域，如何构建兼具高稳定性和强功能的合成菌群一直是重大挑战。天然微生物群落虽功能丰富但可控性差，而单一菌株易发生功能退化。贝莱斯芽孢杆菌(Bacillus velezensis)SQR9作为植物根际促生菌(PGPR)代表，其突变株在长期培养中常出现生物膜形成能力下降等问题，严重影响实际应用效果。

为突破这一瓶颈，王晶晶等研究人员创新性地采用"功能互补"策略，选取SQR9的三种关键突变株——群体感应缺陷型ΔluxS、趋化受体缺陷型ΔmcpA及代谢缺陷型ΔSQR9-E，构建了多组联合菌群。通过长达数月的共培养实验发现，含ΔluxS的菌群展现出惊人的功能稳定性，其中41号组合(ΔmcpA/ΔluxS/ΔSQR9-E)表现尤为突出：不仅对番茄的促生效果较野生型提升23%，更能稳定维持对土传病原菌青枯菌(Ralstonia solanacearum)和尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum f. sp. cucumerinum)的拮抗能力。

研究团队运用全基因组重测序技术揭示了内在机制：单培养时ΔluxS突变株会累积Spo0A(孢子形成调控因子)、RsbX(应激反应蛋白)、TuaG(微管蛋白)和ComP(感受态调控蛋白)等基因的二次突变，导致生物膜形成能力衰退；而在联合菌群中，这些基因功能通过菌株间互作得以保留，使ΔluxS突变株恢复生物膜形成能力。这种"基因功能救援"现象为理解微生物群落稳定性提供了全新视角。

关键技术方法包括：1) 采用转座子突变构建SQR9不同功能突变株；2) 通过96孔板高通量筛选构建54组联合菌群；3) 结晶紫染色法定量生物膜形成能力；4) 平板对峙法测定对青枯菌等病原菌的抑菌圈直径；5) 番茄盆栽实验评估促生效果；6) Illumina平台全基因组重测序分析突变位点。

主要研究结果：

1. 1.

   菌群功能稳定性分析：含ΔluxS的联合菌群在传代20代后仍保持90%以上原始功能，显著高于野生型(65%)。

2. 2.

   生物膜形成机制：ΔluxS单菌株中spo0A基因第214位点发生C→T突变，导致其编码的组氨酸激酶功能域失活；而在41号菌群中该突变频率降低82%。

3. 3.

   植物促生效果：41号菌群处理的番茄植株生物量增加37%，根系活力提升41%，且对青枯病的防治效果达68%。

这项发表于《Pedosphere》的研究首次证明：合成菌群可通过"基因功能互补"机制抵消单菌株的有害突变，其中luxS基因作为群体感应关键元件，其突变体在群落环境中反而表现出特殊的稳定性维持功能。该发现不仅为设计农业微生物制剂提供新思路，更揭示了微生物群落维持功能稳定的分子基础，在生态工程和合成生物学领域具有重要应用价值。