《Agronomy》：Bacillus subtilis KC Improves Pepper Productivity and Modulates the Rhizosphere Microbiome Under Integrated Fertilization
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辣椒是一种高经济价值作物，但在集约化栽培中常面临土传病害爆发、过量施用化学肥料及土壤退化等问题，导致其产量和品质下降。本研究通过实验探究了生防菌枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）KC对辣椒生长、发病率、果实品质、土壤理化性质及其根际微生物群落的
辣椒是一种高经济价值作物，但在集约化栽培中常面临土传病害爆发、过量施用化学肥料及土壤退化等问题，导致其产量和品质下降。本研究通过实验探究了生防菌枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）KC对辣椒生长、发病率、果实品质、土壤理化性质及其根际微生物群落的影响。平板对峙试验表明，该菌株对引起辣椒疫病的主要植物病原卵菌——辣椒疫霉（Phytophthora capsici）具有强拮抗作用，抑制其菌丝生长率达56%。田间试验显示，与化肥对照组（CF+OF）相比，添加生防菌剂（CF+OF+KC）显著将发病率降至3%（降幅达85.7%）。值得注意的是，系统性宿主防御酶（PAL、PPO）活性与发病率呈负相关。相应地，辣椒产量提升了17%，而关键果实品质指标维生素C含量大幅提高55.1%。在微生物群落组成方面，生防菌处理组增加了特定细菌类群（如乳杆菌属 Lactobacillus、鞘脂单胞菌属 Sphingomonas 和 Kosakonia 属）的相对丰度，同时减少了丰度较低的真菌属（如假散囊菌属 Pseudeurotium、沃德霉属 Wardomyces 和镰刀菌属 Fusarium）。特定细菌类群（如乳杆菌属）的相对丰度与辣椒果实维生素C含量及土壤碱解氮呈正相关。功能预测分析表明，生防菌处理与微生物生长及代谢相关通路的富集有关，同时降低了病原体相关毒力通路的预测丰度。综上，这些发现为在生态友好型辣椒种植中利用有益微生物菌剂提供了理论框架和技术基础，有助于其未来的可持续发展。
研究背景与目的
辣椒是全球广泛消费的重要经济作物，其优质果实的核心营养组分包括维生素C和总黄酮等。然而，在长期集约化和连作栽培体系下，辣椒生产日益面临土传病害频发、过量依赖化学肥料与农药导致的土壤退化、果实品质下降及可持续性降低等问题。尽管常规的化学防控和施肥措施可暂时抑制病原菌并维持产量，但其长期应用往往导致土壤结构恶化、养分失衡及微生物群落紊乱。因此，亟需开发环境友好且可持续的病害管理策略，以减少化学投入并保障作物生产力。在此背景下，生物防治作为一种极具前景的替代方案受到关注，其中植物促生根际细菌（PGPR）因兼具抑制土传病原菌和促进作物生长的多重机制而备受青睐。枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）作为典型的PGPR模式菌株，因其强大的内生孢子形成能力、遗传可操作性及丰富的抗菌脂肽合成潜力而被广泛研究。然而，大多数商业化菌株分离自中性环境，缺乏在高碱性干旱土壤中同时实现高效定殖和养分增溶的双重能力。新分离的B. subtilis KC菌株表现出广谱拮抗活性和显著的碱性适应能力。尽管如此，关于该菌株如何与有机-无机复合肥配施协同调控土壤养分库、宿主生理防御能力及根际微生物群落组装，进而实现辣椒高产优质并减少化学合成投入的系统性机制尚不清楚。为此，本研究全面评估了B. subtilis KC与有机-无机肥联合施用（CF+OF+KC）在辣椒生产中的多层次调控机制。
主要技术方法
研究人员采用平板对峙法测定菌株KC对四种主要土传病原真菌和卵菌的体外拮抗活性。田间试验于2025年3月至8月在中国甘肃省嘉峪关市进行，采用2×2因子随机完全区组设计，设置四个处理组合（CF、CF+OF、CF+KC、CF+OF+KC），每处理三个独立小区重复。通过浸根法接种菌株KC悬浮液（约1×10? CFU·mL?1）。采用分光光度法和滴定法测定叶片防御酶活性（PAL、PPO、APX、GS）及果实营养品质（维生素C、可溶性糖、游离氨基酸、总黄酮）。利用高通量测序（Illumina MiSeq平台）分析根际细菌16S rRNA基因V3-V4区和真菌ITS1区的群落结构，并结合QIIME2、PICRUSt2等生物信息学流程进行多样性与功能预测分析。采用冗余分析（RDA）、Pearson相关性分析和双因素方差分析（ANOVA）等统计方法评估各变量间关系。
研究结果
3.1 枯草芽孢杆菌KC对四种植物病原菌的拮抗活性
平板对峙试验显示，菌株KC对四种病原菌均表现出显著广谱拮抗作用，对尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）的抑制率最高达64%，对立枯丝核菌（Rhizoctonia solani）和辣椒疫霉（Phytophthora capsici）的抑制率分别为57%和56%，对腐皮镰刀菌（F. solani）的抑制率为50%。
3.2 枯草芽孢杆菌KC促进辣椒植株生长、提高产量并抑制土传病害
与CF对照相比，CF+KC处理使株高、茎粗、单株产量和单果鲜重分别增加34.7%、34.9%、34.7%和69.2%。与CF+OF相比，CF+OF+KC处理使总产量进一步增加17.0%，并将土传病害发病率从21.0%降至3.0%（降幅85.7%）。
3.3 枯草芽孢杆菌KC接种增强植株防御酶活性
与CF对照相比，CF+KC处理显著提高了叶片苯丙氨酸解氨酶（PAL）和多酚氧化酶（PPO）活性，增幅分别为31.5%和33.8%。与CF+OF相比，CF+OF+KC处理使PAL、PPO、抗坏血酸过氧化物酶（APX）和谷氨酰胺合成酶（GS）活性分别提高34.8%、21.9%、19.1%和23.6%。
3.4 枯草芽孢杆菌KC干预改善果实综合营养品质
与CF+OF相比，CF+OF+KC处理使果实维生素C含量提高55.1%，可溶性糖提高32.5%，游离氨基酸提高21.9%，总黄酮提高21.9%。与CF对照相比，CF+KC处理使上述指标分别提高38.7%、29.3%、36.7%和2.5%。
3.5 枯草芽孢杆菌KC施用对辣椒根际土壤理化性质的影响
与CF+OF相比，CF+OF+KC处理使土壤有机质（OM）增加32.1%，碱解氮（AN）、有效磷（AP）和速效钾（AK）分别增加60.8%、58.1%和40.2%。总有机氮（TON）和全磷（TP）也显著高于CF+OF。土壤pH在各处理间无显著差异。
3.6 枯草芽孢杆菌KC接种对辣椒根际微生物群落的影响
在细菌群落方面，CF+OF+KC处理的ACE、Chao1和Shannon指数较CF+OF显著降低50.6%、50.4%和28.2%；真菌群落的相应指数分别降低31.2%、31.9%和18.7%。Beta多样性分析（PCoA）显示，施肥和接种处理显著改变了细菌和真菌群落结构（PERMANOVA，p < 0.01）。在属水平上，CF+OF+KC处理显著增加了未培养土壤细菌（uncultured_soil_bacterium）的相对丰度（较CF+OF增加235.0%），同时降低了RB41和芽孢杆菌属（Bacillus）的相对丰度。真菌方面，CF+OF+KC处理显著增加了Tausonia属的相对丰度（较CF+OF增加828.6%），同时降低了Kernia属、Wardomyces属和Acremonium属的相对丰度。
3.7 根际微生物组与土壤-植物属性的关联
Pearson相关性分析表明，乳杆菌属（Lactobacillus）和枝孢属（Cladosporium）的相对丰度与果实品质参数（可溶性糖、总黄酮、维生素C、游离氨基酸）呈显著正相关，而RB41、假散囊菌属（Pseudeurotium）和Acremonium属则与部分品质指标呈负相关。冗余分析（RDA）显示，土壤OM、AN和AP是区分根际细菌和真菌分布的关键土壤因子。表型关联分析发现，病害发生率与RB41、Pseudeurotium和Wardomyces的相对丰度呈正相关，而产量与RB41和Pseudeurotium呈负相关。
3.8 与枯草芽孢杆菌KC接种相关的根际微生物组COG功能谱预测变化
基于PICRUSt2和COG数据库的功能预测显示，CF+OF+KC处理显著富集了与翻译、核糖体结构与生物发生、细胞壁/膜/包膜生物发生、翻译后修饰与蛋白质周转、分子伴侣以及细胞内运输、分泌和囊泡运输相关的预测通路，同时相对降低了氨基酸、碳水化合物和辅酶转运与代谢等基础代谢通路的预测丰度。
讨论与结论
研究表明，枯草芽孢杆菌KC与有机-无机肥联合施用（CF+OF+KC）能够显著降低辣椒土传病害发生率（较CF+OF降低85.7%至3.0%），并促进植株生长和产量提升（增产17%）。菌株KC在体外展现出对多种病原菌的广谱拮抗活性，并通过增强宿主防御酶（PAL、PPO、APX、GS）活性诱导系统抗性（ISR）。此外，该处理显著改善了土壤养分状况（OM、AN、AP、AK升高），并重塑了根际微生物群落结构，表现为有益菌群（如乳杆菌属、鞘脂单胞菌属）富集和潜在有害菌群（如RB41、假散囊菌属、沃德霉属）减少。功能预测提示微生物群落向增强蛋白合成、细胞结构和环境适应性的方向转变。这些生物学和理化改良共同促进了果实营养品质的全面提升（维生素C提高55.1%，可溶性糖提高32.5%等）。然而，本研究仅针对单一品种、单一菌株和单一年份地点，其普适性需经多品种、多地点的多年验证。此外，由于所有处理的总无机肥施用量保持一致，菌株KC能否真正减少化肥用量仍需专门的减量化试验证实。
结论部分翻译：综上所述，本研究表明，将化肥、有机肥和枯草芽孢杆菌KC联合施用（CF+OF+KC）能够有效改善辣椒生长表现、抑制土传病害并重塑根际环境。实验证明，菌株KC对主要土传病原菌具有强体外拮抗活性，并将田间发病率显著降至3.0%（较CF+OF降低85.7%）。同时，这一综合处理提升了辣椒幼苗防御酶（PAL、PPO、APX和GS）活性，并增加了土壤有效大量养分含量。微生物组分析证实了根际细菌和真菌群落结构的改变，其特征是有益细菌类群（如乳杆菌属、鞘脂单胞菌属和Kosakonia属）富集，同时特定真菌属（镰刀菌属、假散囊菌属和沃德霉属）减少。值得注意的是，特定细菌类群如乳杆菌属与果实品质性状及土壤碱解氮呈正相关。这些生物学和理化改良伴随田间果实产量增加17%以及果实营养品质（尤其是维生素C和总黄酮）的大幅提升。总体而言，这些发现为将枯草芽孢杆菌KC整合到施肥实践中以实现可持续辣椒种植提供了直接的实验证据和实践见解。
