来自内生菌的合成微生物群落，用于可持续农业实践：提高辣椒作物的产量并抑制病害

《Applied Soil Ecology》：Endophyte-derived synthetic microbial communities for sustainable agricultural practices: Enhancing crop productivity and disease suppression in pepper

本研究筛选了194株辣椒内生菌，构建了57种不同多样性的合成微生物群落（SynComs），通过温室和田间试验发现，高多样性SynComs（如S13）显著促进辣椒生长、抑制土传病害，且通过调控根际微生物群落关键物种，其效果优于低多样性S63，为可持续农业提供了新策略。

　　

卢凯恒|张雷刚|周家辉|李秋玲|于向阳|刘长红

中国江苏省南京市南京大学生命科学学院药物生物技术国家重点实验室，邮编210023

摘要

微生物接种剂为化学肥料提供了环保的替代方案，但传统的单菌株制剂在功能多样性、生态适应性和田间表现方面往往存在局限性。由多种菌株组成的合成微生物群落（SynComs）为解决这些挑战提供了有前景的方案。然而，SynCom多样性对根际微生物组组成和植物表现的影响尚未得到充分研究。在本研究中，我们筛选了194株植物内生细菌，以评估它们促进辣椒生长和抑制Phytophthora capsici病原体的能力。选择了6株具有双重功能的细菌菌株，并随机组合形成57个SynComs，共计63个处理组，这些处理组具有不同的多样性水平，并在无菌盆栽试验中进行了测试。结果表明，疾病抑制和植物生长促进都受到微生物群落组成的显著影响。两种SynComs，S13（由P. chlororaphis L43、B. velezensis L150组成）和S63（由P. chlororaphis L43、E. cloacae L68、P. mirabilis L71、P. aeruginosa L103、B. licheniformis L140和B. velezensis L150组成），在促进生长和抑制疾病方面表现出相似的效果，但多样性水平不同。田间试验证实，这两种SynComs都改善了辣椒的生长和土壤健康状况，其中S13使辣椒产量增加了约30%，同时在果实质量和土壤特性方面也提供了更显著和持久的改善。根际微生物组分析显示，与S63相比，S13丰富了有益微生物类群，并形成了更简单的网络结构。综合土壤-植物-微生物组分析表明，这些差异是由SynCom多样性导致的根际微生物群落关键类群的显著变化所驱动的。本研究强调了微生物群落多样性在优化植物生长和土壤健康方面的关键作用，为如何通过定制的SynComs提高农业可持续性和表现提供了宝贵的见解。

引言

现代农业中大量使用化学肥料和农药导致了严重的环境问题，包括土壤pH值失衡、微量营养素耗竭、微生物活性降低以及有机碳矿化受阻（Xing等人，2025年）。这些问题，加上土壤压实和抗农药性的增加，削弱了农业系统的长期可持续性（Frene等人，2024年；Miller等人，2022年）。作为回应，内生微生物接种剂等生物替代品受到了广泛关注。与仅限于根土界面的根际细菌不同，内生菌可以定植在植物内部组织中，在那里它们参与全株信号传导并有效诱导系统抗性（ISR）（Kang等人，2018年）。这种能力使它们在田间条件下能够更一致和持久地抑制疾病（Kumar等人，2025年）。内生菌和以内生菌为主的微生物群落在植物病害管理中已经证明了其概念可行性。例如，内生菌Bacillus velezensis LY7抑制了炭疽病病原体Colletotrichum scovillei，同时促进了植物生长（Zou等人，2024年）。因此，基于内生菌的接种剂作为生物替代品正迅速受到关注。这些微生物可以合成植物激素、固定氮、溶解磷并增强土壤酶活性，从而提高养分吸收并促进植物生长。它们还通过产生抗生素、挥发性有机化合物、几丁质酶和溶菌酶来保护植物，同时增强宿主的系统免疫力（Niu等人，2017年；Trivedi等人，2021年）。

尽管具有潜力，传统的单菌株接种剂通常功能有限且生态适应性较差，在田间条件下容易被本土土壤微生物群取代。这一挑战促使人们开发了SynComs，即按特定比例精心组装的功能性明确的微生物联合体（Gro?kopf和Soyer，2014年）。与单个菌株相比，SynComs提供了一个更稳定、多功能的平台，并对环境波动具有更强的抵抗力。例如，在干旱胁迫试验中，SynComs将谷物产量损失减少了多达75%，并提高了作物的耐盐性（Armanhi等人，2021年；Schmitz等人，2022年）。这些群落还被证明可以提高作物产量并抑制疾病，例如多菌株联合体促进了棉花生长并减少了番茄的病害严重程度（Kaur等人，2022年；Lee等人，2021年）。

然而，SynComs的应用仍有几个方面尚未解决，尤其是在内生菌方面。虽然大多数SynComs是由根际分离株构建的，但尚未充分探索结合来自不同植物组织的内生菌的潜力。此外，缺乏田间规模的验证，特别是不同多样性SynComs接种剂之间的比较研究，阻碍了我们对它们实际效果的理解。尽管在无菌条件下取得了有希望的结果，但SynComs在复杂田间土壤中的行为及其成功的生态机制仍不甚清楚。

根际微生物组常被称为植物的“第二基因组”，在养分循环和疾病抑制中起着关键作用。最近的研究强调了本土微生物网络和关键类群在塑造农业结果方面的重要性（de Vries等人，2018年）。除了其生态相关性外，根际微生物组还是连接植物遗传学和环境因素的重要接口，从而决定了植物的健康和生产力（Mendes等人，2011年）。它不仅仅是一个被动反映土壤条件的机制，而是一个主动调节系统，介导养分获取、调节免疫信号并增强对生物和非生物胁迫的抵抗力。越来越多的证据表明，虽然大多数根际微生物受土壤物理化学性质和农艺管理的影响，但仍有少量但重要的部分是由宿主植物基因决定的，这为“微生物组辅助”育种策略奠定了基础。因此，理解和利用根际微生物组的组装机制为可持续作物生产和长期土壤生态系统稳定性提供了有希望的途径（Xun等人，2024年）。

鉴于基于内生菌的SynComs的巨大潜力，本研究旨在探索它们在辣椒中的表现，辣椒是一种具有全球烹饪和药用价值的作物。通过结合温室和田间实验以及高通量测序和网络分析，我们将：（1）比较由不同内生细菌构建的合成微生物群落的农艺表现；（2）量化它们对辣椒产量、果实质量和土壤物理化学性质的影响；（3）研究它们对根际微生物组和关键类群的影响；（4）将SynComs引起的微生物变化与作物生产力和质量联系起来。从这项研究中获得的见解将有助于开发稳定且功能性的微生物联合体，为化学投入提供可持续的替代方案，并为更耐逆的农业系统铺平道路。

部分摘要

细菌菌株的分离、鉴定和系统发育分析

本研究使用了总共194株内生细菌菌株，这些菌株最初从22种常绿植物中分离并在我们的实验室中保存（Chen，2007年）。使用标准DNA提取试剂盒（Qiagen，德国）按照制造商的说明从每个细菌分离株中提取基因组DNA。使用引物27F（5′-AGA GTT TGA TCM TGG CTC AG-3′）和1492R（5′-CGG TTA CCT TGT TAC GAC TT-3′）扩增16S rRNA基因。扩增产物进行了测序。

选择用于构建SynComs的内生细菌菌株

通过16S rRNA测序鉴定出的194株内生细菌菌株代表了25个属，主要为Bacillus（60.8%），其次是Enterobacter（9.8%）和Pseudomonas（5.7%）（图1A）。这些分离株在体外评估了其促进植物生长的潜力。值得注意的是，47.4%的菌株表现出ACC脱氨酶活性，49.4%的菌株表现出蛋白水解活性，类似比例的菌株能够溶解钾（49.4%）、有机磷（47.9%）和无机磷（48.9%）。

讨论

本研究强调了微生物群落多样性在提高作物生产力和抑制土传病原体方面的关键作用，特别是在可持续农业实践中。传统的微生物接种剂通常依赖于单一细菌菌株，这些菌株往往面临生态适应性和功能多样性不足的挑战（Gro?kopf和Soyer，2014年）。相比之下，使用包含多种微生物菌株的SynComs提供了

结论

我们的研究结果共同强调了SynComs在田间环境中的有效性在很大程度上取决于它们重塑根际结构、影响酶活性和组织微生物网络的能力，特别是关注关键微生物类群。SynComs S13和S63的不同表现表明，群落功能不仅由物种组成决定，还受到相互作用拓扑结构、稳定性和生态兼容性的影响

CRediT作者贡献声明

卢凯恒：验证、调查、正式分析、数据管理、概念化。张雷刚：撰写——审阅与编辑、资源提供。周家辉：数据管理。李秋玲：调查。于向阳：撰写——审阅与编辑。刘长红：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了江苏省农业科技创新基金（编号：CX (22) 2021）、江苏省科技创新计划（编号：BK20220036）和国家自然科学基金（编号：42273077、41973073、91951121）的支持。