《Microbiological Research》：Bacillus subtilis controls mycotoxigenic coffee pathogens by volatile-mediated long-range chemical signaling and contact-dependent lipopeptide antagonism
编辑推荐：
``
•
基因组挖掘预测了Bacillus subtilis 34a的抗真菌潜力。
•
在使用两种质谱（MS）策略进行真菌共培养的过程中，分析了细菌的挥发物和脂肽。
•
与B. subtilis相互作用时，真菌产生的霉菌毒素相关代谢物减少了。
•
``
- •
基因组挖掘预测了Bacillus subtilis 34a的抗真菌潜力。
- •
在使用两种质谱（MS）策略进行真菌共培养的过程中，分析了细菌的挥发物和脂肽。
- •
与B. subtilis相互作用时，真菌产生的霉菌毒素相关代谢物减少了。
- •
综合组学研究显示，生物控制效果取决于真菌的敏感性。
- •
B. subtilis的安全性使其适合作为咖啡的生物控制剂。
引言
咖啡（Coffea spp.）是全球最具经济价值的农产品之一。大约1.25亿人，主要是热带和亚热带地区的小农户，依靠每年超过1000万吨的咖啡产量为生（Barreto Peixoto等，2023年；联合国粮食及农业组织（FAO），2024年）。咖啡种植面临持续的真菌病原体挑战，这些病原体导致产量大幅下降并影响咖啡质量。Fusarium属真菌尤其成问题，它们会侵染根部、茎部和果实。这些疾病和根部腐烂已经摧毁了多个咖啡种植区，导致咖啡作物枯萎（Peck和Boa，2024年）。除了引发疾病外，这些真菌还能合成次级代谢产物，包括霉菌毒素，其在收割后的咖啡豆中的积累对咖啡的安全性和质量构成潜在威胁。多个咖啡生产区都记录到超过安全限度的污染水平（Rubio-López等，2023年）。通过LC-MS/MS对商业咖啡样品的检测发现，烤制和冲泡后的咖啡中含有伏马菌素、博维菌素、恩尼菌素、赭曲霉毒素A和黄曲霉素（García-Moraleja等，2015年；Casas-Junco等，2018年），这表明田间阶段的污染最终可能影响消费者。博维菌素和恩尼菌素是环状六十二肽霉菌毒素，具有细胞毒性、基因毒性和免疫抑制作用（Hasuda和Bracarense，2024年；Prosperini等，2017年）。目前的疾病管理策略主要依赖合成杀菌剂，但这些杀菌剂面临日益严格的监管限制，并引发环境问题，因此对可持续的生物控制替代方案的需求日益增长。
有益细菌，尤其是Bacillus属细菌，由于其产生抗菌化合物的能力、能够在植物组织中定植以及在农业环境中持续存活的特性，已成为对抗多种真菌病原体的有希望的生物控制剂（Massart等，2015年；Prasad等，2023年）。这些细菌通过多种机制抑制真菌生长，包括竞争营养物质和定植位点、产生水解酶、诱导宿主植物的系统抗性以及合成抗菌化合物（Xu等，2025年）。其中，由非核糖体肽合成酶（NRPS）产生的环状脂肽因其强大的抗真菌活性而受到广泛关注。Bacillus菌株通常编码多种具有互补作用机制的脂肽，尤其是表面活性素和风霉素。表面活性素是两亲性环状化合物，其抗真菌作用取决于浓度；在高浓度下，它们通过疏水尾部插入和形成孔洞来穿透真菌膜（Zhao等，2017年）。像Fusarium这样含有丰富麦角固醇的丝状真菌通常对表面活性素的敏感性较低，这种差异导致了特定物种的抗真菌效果。风霉素是一种高分子量脂肽，能通过直接破坏膜磷脂双层而对丝状真菌产生强烈抑制作用，从而补充表面活性素的作用（Hanif等，2019年）。富含风霉素的脂肽混合物还能诱导Fusarium细胞发生类似凋亡的死亡，这与活性氧的积累和线粒体功能障碍有关（Chen等，2024年）。Bacillus菌株还产生多种挥发性有机化合物（VOCs），这些化合物可以通过大气扩散抑制真菌生长（Grahovac等，2023年）。尽管在受控环境中证明了它们的有效性，但在不同目标病原体上的效果并不总是可重复的（K?hl等，2011年），这表明生物控制效果取决于细菌抗菌生产能力以外的因素。
基于质谱的代谢组学最新进展使我们能够了解微生物相互作用过程中的化学变化，捕捉到塑造竞争和拮抗关系的代谢物的动态产生和转化（Torres-Ortega等，2022年；Weisskopf等，2021年）。
非靶向代谢组学方法在生物控制研究中特别有价值，因为它们可以在不了解特定化合物的情况下分析细菌-真菌相互作用过程中的代谢变化谱系（Xu等，2025年）。低温等离子体质谱（LTP-MS）允许在体内直接分析挥发性代谢物（Martínez-Jarquín等，2016年；Moreno-Pedraza等，2019年），而直接液注入电喷雾电离质谱（DLI-ESI-MS）则无需色谱分离即可研究可扩散化合物的谱型，包括脂肽和霉菌毒素（Luz等，2017年；Martínez-Jarquín和Winkler，2017年）。这两种非靶向代谢组学方法都能全面覆盖细菌-真菌相互作用过程中产生的抗菌代谢物，这对于生物控制研究非常有用（Xu等，2025年）。
利用全球天然产物社交分子网络（GNPS）（Wang等，2016年）进行分子网络分析，可以帮助识别具有结构相似性的相关MS/MS特征所代表的化学家族，从而支持代谢物注释。作为质谱方法的补充，基因组挖掘工具如antiSMASH（Blin等，2023年）可以从序列数据中系统预测生物合成基因簇（BGCs），为将基因型与化学型联系起来提供独立证据，并在微生物相互作用研究中支持代谢物注释。
关于挥发性化学信号和可扩散化学信号在真菌-细菌相互作用过程中如何同时变化，以及这些变化如何与真菌生长抑制相关联的信息有限。以往的研究主要关注细菌代谢产物的产生或真菌生长的抑制，而没有追踪相互作用过程中真菌次级代谢物的变化。这是一个重要的空白，因为生物控制效果不仅应考虑疾病抑制，还应考虑收获产品中霉菌毒素的减少。虽然真菌次级代谢物的水平在相互作用过程中可能会下降，但这种下降是由于化学降解、代谢物生物合成的抑制还是更广泛的生态变化所致尚不清楚。关于霉菌毒素缓解策略的综述指出，物理、化学和生物学方法可以显著降低食品中的霉菌毒素水平（Luz等，2017年），这为微生物霉菌毒素的减少提供了依据。此外，密切相关的真菌物种之间生物控制效果的不同表明，真菌的固有敏感性和细菌的抗菌能力会影响生物控制效果。了解这些因素有助于更合理地选择生物控制剂。
在这项研究中，我们使用非靶向代谢组学方法（LTP-MS和DLI-ESI-MS）来研究Bacillus subtilis 34a与墨西哥患病咖啡植物中的八种真菌分离株之间的相互作用引起的化学变化。我们假设生物控制效果不仅取决于细菌的抗菌能力，还取决于真菌的敏感性特征。我们的结果表明，这种效果涉及挥发性和脂肽的产生，以及霉菌毒素相关信号的减少，其中效果主要由真菌的敏感性而非抗菌化合物的数量决定。这些发现有助于为咖啡生产选择合适的生物控制剂。
章节片段
微生物的分离
从Coffea arabica植物（品种Garnica以及杂交品种Sarchimor、Heisha和Costa Rica）的host tissues中分离出真菌和细菌菌株，这些植物的健康状况各不相同（有症状或无症状），并在墨西哥的两个地点的咖啡种植园进行了采样：一个是位于San Luis Potosí的Aquismón咖啡种植园（位于“Huasteca Potosina”地区；坐标21°37'56.5”N 99°00'00.3”W）；另一个是Santiago de Querétaro的一个温室（坐标20°36'13.7”N 100°24'26.0”W）。从每个地点...
真菌分离株的分子鉴定及34a细菌的系统发育分析
根据ITS序列的BLASTn分析，鉴定了这些真菌分离株（见补充图1 A）。为了达到34a菌株的物种水平鉴定，随后进行了全基因组测序（图1）。根据平均核苷酸identity（ANI）进行的基因组分类确认34a菌株为Bacillus subtilis（表1）。
对于通过ITS测序鉴定的真菌菌株和GM，测序结果和查询覆盖率...
讨论
我们的研究表明，Bacillus subtilis 34a与咖啡相关真菌之间的拮抗作用涉及依赖于相互作用的代谢重塑，而不是持续的抗菌产生。代谢组学和基因组学证据表明，相互作用的真菌分离株差异性地激活了细菌的生物合成途径，从而创造了独特的化学环境，这强调了微生物相互作用的重要性...
资助
M.C.O.-M.感谢墨西哥国家技术学院（TecNM）对她研究项目的支持（24730.26-P）。G.S.感谢米却肯萨尼科拉斯德伊达尔戈大学（Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo）的科学研究协调委员会提供的部分资金支持。
CRediT作者贡献声明
Hilda E. Ramos-Aboites：撰写——初稿，研究，数据分析。Martín O. Camargo-Escalante：研究，数据分析。Héctor Guillén-Alonso:研究，数据分析。César Aguilar:资源提供，研究，数据分析。Karen Gutiérrez-Solórzano:研究，数据分析。Gustavo Santoyo:撰写——审阅与编辑，资源提供，数据分析。Robert Winkler:撰写——审阅与编辑，监督，数据分析，概念化。Ma. del Carmen
致谢
H.E.R.A.感谢SECIHTI提供的博士生奖学金，AMECAFE和SLP州咖啡生产委员会，特别是Alfredo Gurrola Grave和Faustino del ángel Brigida。我们还要感谢Aquismón的Benito Juárez大学和UGA Cinvestav的LABI在采样方面的支持，特别是Isabel Buendía Corona、Juan Francisco Moreno Luna和Luis Alberto de León Jiménez。M.O.C.E.感谢SECIHTI-Mexico提供的博士后奖学金（564172）...
Hilda E. Ramos-Aboites|Martín O. Camargo-Escalante|Héctor Guillén-Alonso|César Aguilar|Karen Gutiérrez-Solórzano|Gustavo Santoyo|Robert Winkler|Ma. del Carmen Orozco-Mosqueda
```
