综述:伯克霍尔德菌(Burkholderia spp.)介导的作物对土传真菌防护的分子机制

《Applied Soil Ecology》:Molecular mechanisms of Burkholderia spp.-mediated crop protection against soil-borne fungi

【字体: 时间:2026年01月13日 来源:Applied Soil Ecology 5

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  土壤真菌病害严重威胁作物生产力,化学农药因抗药性、生态毒性及监管限制逐渐受限。Burkholderia等有益菌通过代谢产物(如pyrrolnitrin)、铁载体、水解酶及挥发性有机物等多元机制抑制病原菌,并激活植物系统抗性。组学技术解析其遗传与代谢基础,CRISPR编辑优化菌株性能,转录动态揭示环境与病原互作网络。未来需整合多组学数据与生态参数,设计系统化可持续农业解决方案。

  
Mohammad Shahid|Mohammad Danish|Zaryab Shafi
印度古吉拉特邦拉杰科特市马尔瓦迪大学理学院农业系研究办公室,邮编360003

摘要

土壤传播的真菌性植物病原体严重威胁着作物产量。由于病原体抗性、生态影响以及监管限制,过度依赖化学杀菌剂已变得日益不可持续。有益的Burkholderia属细菌因其多种抗真菌机制而成为有前景的生物控制剂,这些机制包括产生代谢物(如吡咯硝胺、头孢菌素、氧化菌素)、铁载体、水解酶和挥发性有机化合物,以及激活植物的系统抗性。最近的组学研究阐明了这些机制的遗传和代谢基础,揭示了Burkholderia与植物和病原体之间相互作用的全貌。基于CRISPR的基因组编辑技术进一步使得关键生物合成基因的功能解析成为可能,从而培育出更安全、更高效的菌株。转录分析突出了在真菌攻击期间微生物和宿主反应的动态调控网络。本文综合了组学发现、CRISPR应用以及转录动态,定义了Burkholderia介导的作物保护的分子基础,强调了其在可持续和气候适应型农业中的潜力。

引言

土壤传播的真菌病害仍然是对全球农业的最大威胁之一,严重降低了不同农业生态系统的作物产量和粮食安全。这些病害导致产量大幅下降、作物品质下降以及生产成本增加,对集约化和自给农业都构成了持续挑战(Oraon等人,2024年)。诸如FusariumRhizoctoniaSclerotiumMacrophominaVerticillium等真菌病原体会引起毁灭性的维管束萎蔫、猝倒病、根腐病和茎溃疡病(Lavanya,2025年)。例如,Fusarium oxysporum单独感染超过100种植物,威胁着全球粮食系统(Ekwomadu和Mwanza,2023年),而Rhizoctonia solani则会导致谷物、豆类和蔬菜的慢性根部和萎蔫病(Akber等人,2023年)。这些真菌会形成持久的生存结构,如菌核和厚垣孢子,使它们能够在不利条件下存活并在作物轮作中重新引发感染(Katan,2017年)。它们广泛的宿主范围、适应性和长期持久性使得这些病原体特别难以管理(Sulaiman和Bello,2024年)。
传统的管理方法依赖于化学杀菌剂、作物轮作和土壤熏蒸(Panth等人,2020年)。虽然化学杀菌剂可以提供短期控制,但反复使用会导致病原体抗性、持久性以及对非目标土壤生物群的负面影响(Nwankwo等人,2025年)。此外,环境毒性和监管限制也限制了其广泛应用。尽管作物轮作和太阳能消毒等农艺措施有益,但往往劳动强度大且在田间效果较差(Halbrendt和LaMondia,2004年)。这些局限性凸显了迫切需要环保、可持续和基于生物技术的病害管理替代方案。
促进植物生长的微生物(PGPMs),尤其是促进植物生长的根际细菌(PGPR),已成为有前景且有效的生物控制剂,它们能增强植物生长和养分吸收,同时提高植物对生物和非生物胁迫的耐受性(Karmakar等人,2025年;El Malahi等人,2025年;Kumar、Sindhu和Kumar,2024a;Kumar、Uthra、Chitra、Damodharan和Pazhani,2024b;Oyedoh等人,2024年;Aparicio等人,2025年)。这些有益微生物通过多种机制抑制病原体,包括诱导系统抗性、产生抗菌化合物以及调节宿主应激反应,使其成为化学农药的有希望的替代品(Malik等人,2025年)。在这一类微生物中,Burkholderia属细菌因其显著的代谢多样性和强大的抗真菌潜力而受到特别关注(Yin等人,2025年)。Burkholderia普遍存在于土壤、根际和植物组织中,某些菌株已知对主要真菌病原体具有拮抗作用(Compant等人,2008年)。这些细菌分布广泛,具有多方面的抗真菌机制:产生生物活性代谢物(burkholdines、氧化菌素、头孢菌素和吡咯硝胺);分泌裂解酶、通过铁载体竞争以及诱导植物系统抗性(Wu等人,2023年;Elshafie和Camele,2021年)。重要的是,Burkholderia不仅抑制病原体,还能增强宿主防御反应,提高整体植物活力(Esmaeel等人,2020年)。
Burkholderia的一个显著优势在于其基因组和代谢的灵活性。其大型、多复制子的基因组携带多种生物合成基因簇,编码大量次级代谢物——其中许多尚未被充分研究(Bach等人,2022年)。这种多样性为发现新的抗真菌化合物提供了巨大潜力。然而,该属包括有益菌株和机会性病原菌株,尤其是在B. cepacia复合体中(Bcc),这引发了生物安全方面的考虑(Mahenthiralingam等人,2008年)。区分有益菌株并理解非致病性的分子决定因素仍然是重要的研究重点(Mannaa等人,2018年)。
组学技术(基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学)的进步彻底改变了我们对Burkholderia介导的生物控制机制的理解(Shishodia等人,2025年)。这些方法识别了抗真菌生物合成途径,阐明了应激响应基因的调控机制,并揭示了驱动根际防御信号传导的功能性蛋白质和代谢物(Hazra等人,2023年;Sahoo等人,2025年)。因此,整合组学提供了Burkholderia与植物和病原体之间动态相互作用的网络视图(Shishodia等人,2025年)。
同时,基于CRISPR的基因组编辑技术已成为功能基因和毒力相关基因的研究工具,用于激活沉默的生物合成簇以及有针对性地优化有益性状(Thankappan等人,2024年)。尽管这些技术仍在针对Burkholderia进行开发,但它们有望实现更安全和更高效的生物控制应用。此外,转录研究表明,Burkholderia的抗真菌性状受到环境和生物信号的严格调控,这种调控通过复杂的转录因子和小RNA网络在田间条件下调节基因表达(Chang等人,2024a;Chang等人,2024b)。
总体而言,这些进展使Burkholderia成为下一代生物控制菌属,能够通过多种机制和环境友好的方式应对土壤传播的真菌威胁。本文综合了近期在理解Burkholderia介导的土壤传播真菌抑制机制方面的分子、基因组和转录机制方面的进展,重点是将组学、CRISPR工具和调控网络结合起来,以实现可持续的作物保护。
尽管对Burkholderia的生物控制性状进行了广泛研究,但大多数研究仍局限于分子、微生物和植物反应层面。因此,目前尚缺乏一个综合框架来解释为什么有前景的菌株在田间条件下表现不一致。在土壤和农场系统中,生物控制效果并非来自单一机制,而是来自微生物调控、根际生态和宿主信号传导之间的相互作用。因此,本文不仅列举已知性状,还综合分析了分子机制、转录时序和生态限制如何共同塑造Burkholderia在现实农业生态系统中的病害抑制作用。

章节片段

分类学和系统发育:致病菌株与有益菌株

Burkholderia属最初被归类为Pseudomonas属,后来根据表型、分子和系统发育证据被重新定义为独立的分类群。该属成员为革兰氏阴性、严格需氧的杆状细菌,通常通过一个或多个极鞭毛运动,但Burkholderia mallei除外,它是不动的(参考文献……)。系统发育上,Burkholderia属于假单胞菌门(Pseudomonadota),是一个高度多样化的

根际定殖和竞争

Burkholderia属细菌作为根际定殖者的成功归因于一系列物理、化学和分子策略,这些策略有助于其附着于根系、存活并竞争排除其他病原体。

Burkholderia的抗真菌活性

Burkholderia属成员通过直接拮抗作用和间接的植物介导的防御反应展现出强大的生物控制潜力(Magrone等人,2021年)。与通常通过单一靶点抑制作用的化学杀菌剂不同,Burkholderia属细菌采用多种协调机制来抑制病原体生长,同时增强植物韧性和产量稳定性。多项独立研究在不同病原体系统中均证实了这一点

组学视角下的Burkholderia–病原体–植物相互作用

Burkholderia属细菌对土壤传播真菌病原体的防御机制是多因素的,涉及遗传、生化和生态层面。传统的微生物学研究首先揭示了它们的拮抗潜力;然而,最近的组学技术(如基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学)的进步彻底改变了我们对Burkholderia介导的生物控制机制的理解(表4)。这些方法提供了全面的

CRISPR介导的Burkholderia功能基因组学

CRISPR/Cas基因组编辑技术的出现彻底改变了复杂微生物系统的功能基因组学研究。在Burkholderia属细菌中——以其代谢多样性和强大的生物控制潜力而闻名——CRISPR技术使得抗真菌生物合成途径、调控网络和生态性状的研究成为可能(Jia和Lu,2024年)。除了功能研究外,这些工具还有助于合理改良菌株,设计出有益且生物安全的变体(Verma等人

防御机制的转录动态

Burkholderia属细菌的生物控制效果不仅体现在代谢多样性上,还体现在对其抗真菌性状的精细转录调控上。转录动态决定了抗真菌代谢物、信号通路和适应性反应的基因表达的时间、强度和协调性。同样,相互作用的真菌病原体和宿主植物也会经历相互的转录重编程,形成了复杂的三方关系

Burkholderia属细菌的应用和实际效果及田间表现

在过去二十年里,Burkholderia属细菌从实验室研究向田间应用的转变受到了广泛关注。这些细菌作为抗真菌病原体的生物控制剂、根际促进植物生长的细菌(PGPR)以及强大的生态竞争者表现出巨大潜力(表3)。然而,成功应用需要仔细考虑菌株选择、制剂稳定性、生物安全性和法规合规性。

未来展望

未来在Burkholderia基础上的病害管理需要从发现性状转向系统设计。研究应重点关注理解调控时序、生态兼容性和生物控制性状的情境特异性表达,而不仅仅是识别具有最强抗真菌活性的菌株。将多组学数据与土壤物理化学参数和微生物群落结构相结合,可以制定出更具预测性的应用策略

结论

最新证据明确表明,Burkholderia属细菌具有广泛的抗真菌能力,多项研究表明它们通过多种代谢物、铁载体、挥发性有机化合物和裂解酶有效抑制了FusariumRhizoctoniaSclerotiumAspergillus等主要植物病原体。多组学分析进一步阐明了抗真菌生物合成簇的调控和表达机制,提供了菌株特异性表现的分子机制见解。
CRediT作者贡献声明
Mohammad Shahid:撰写——综述与编辑、初稿撰写、可视化、资源整理、数据分析、概念构建。Mohammad Danish:初稿撰写、资源准备、方法论设计、数据整理。Zaryab Shafi:初稿撰写、软件使用、资源整理、方法论设计、数据分析。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
作者使用了ChatGPT和Grammarly来检查语法错误并改进部分学术写作语言。通过这些AI工具,作者仔细审查了科学内容并在必要时进行了编辑,因此对出版物的内容负全责。
资金支持
不适用。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢印度古吉拉特邦拉杰科特市的马尔瓦迪大学提供的必要支持。
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