《Microbiology Spectrum》：Genome sequencing and broad-spectrum plant growth-promoting effects of the multifunctional PGPR strain Priestia aryabhattai B8
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从连作烟草根际土壤中分离获得一株多功能植物促生细菌，命名为B8。基于形态学、生物化学及生理学特征，并结合基因组系统发育分析，该菌株被鉴定为Priestia aryabhattai。表型测定表明，B8具有多种植物促生特性，包括吲哚-3-乙酸（indole-3-a
从连作烟草根际土壤中分离获得一株多功能植物促生细菌，命名为B8。基于形态学、生物化学及生理学特征，并结合基因组系统发育分析，该菌株被鉴定为Priestia aryabhattai。表型测定表明，B8具有多种植物促生特性，包括吲哚-3-乙酸（indole-3-acetic acid，IAA）产生、溶磷与解钾能力以及铁载体（siderophore）产生能力。全基因组测序与功能注释揭示，B8基因组由一条环状染色体和两个质粒组成，携带完整的色氨酸生物合成途径（trpABCDEF）、磷酸盐特异性转运系统（pstSABC）、钾转运蛋白基因（khtT/khtU）以及铁载体生物合成基因簇。此外，还鉴定到编码碳水化合物活性酶（carbohydrate-active enzymes，CAZymes）的基因，如参与细胞壁降解的几丁质酶和β-葡聚糖酶，以及多个次级代谢产物生物合成基因簇，为其多功能促生和生防潜力提供了分子基础。盆栽试验表明，接种菌株B8显著提高了烟草、小白菜和小麦根际土壤中IAA、速效磷和速效钾的含量，并促进了植物生长和根系发育。田间试验进一步表明，B8处理与烟草株高、茎围和最大叶面积的显著提高相关，同时提升了烟叶中总糖、还原糖和钾的含量。多元统计分析指出，土壤速效磷、速效钾和IAA含量是驱动作物生长的关键因子。本研究揭示了大田阿氏芽孢杆菌（Priestia aryabhattai）B8的多功能促生机制，为生物肥料开发提供了理论基础和微生物资源。
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一、研究背景与意义
全球人口持续增长推动集约化农业不断扩张，导致化学肥料依赖程度日益加深。磷（P）是植物生长的必需大量元素，常为限制植物生长的首要因子，但其在土壤中的有效性受高pH、固定作用、与Ca2?、Al3?和Fe3?等阳离子沉淀以及金属络合等多重因素制约。尽管磷肥施用量持续增加，但其回收率通常仅为10%–15%，首季很少超过30%，造成资源浪费和环境污染风险。钾（K）缺乏同样广泛存在，尤其在中国，超过70%的农业土壤（特别是南方地区）钾素供应不足，土壤中仅1%–2%的钾为植物可直接利用形态。在此背景下，开发并整合环境可持续策略于传统施肥实践，对推进可持续农业至关重要。
植物根际促生菌（plant growth-promoting rhizobacteria，PGPR）能够定殖于植物根际并与根系建立互利关系，从而促进植物生长和健康。其核心功能包括促进宿主植物对必需营养元素的生物可利用性和吸收，同时通过抑制多种植物病原体展现生防潜力。大量研究已证实PGPR在实验室和田间条件下显著促进植物生长、提高作物产量的能力。然而，现有研究多局限于单一植物种类或缺乏严格的田间验证，限制了对其广谱适用性的认识。此外，从连作土壤中分离的PGPR可能具有增强的根际竞争力和环境适应性，但其促生性状的分子机制仍鲜有深入探索。
二、研究内容与主要结论
研究人员从河南省信阳市罗山县连作烟草根际土壤中分离获得一株高效PGPR菌株B8，经多相分类鉴定为Priestia aryabhattai。该菌株表现出卓越的多功能促生潜力，可产生67.41 mg/L的IAA、溶解532.33 mg/L的无机磷并解钾275.01 mg/L。全基因组测序揭示其基因组由一条5,041,709 bp的环状染色体和两个质粒（136,559 bp和90,554 bp）组成，携带完整的色氨酸生物合成途径（trpABCDEF）、磷酸盐特异性转运系统（pstSABC）、钾转运蛋白基因（khtT/khtU）及铁载体生物合成基因簇，同时鉴定到编码几丁质酶、β-葡聚糖酶等细胞壁降解酶的基因和8个次级代谢产物生物合成基因簇。正交试验表明，IAA产生、溶磷和解钾三种性状的最优培养条件存在差异，提示这些性状的表达可被环境因素差异化调控。盆栽试验表明，接种B8显著提高了烟草、小白菜和小麦根际土壤中IAA、速效磷和速效钾含量，并促进了植物生长和根系发育。田间试验进一步验证了B8对烟草株高、茎围和最大叶面积的显著提升作用，同时提高了烟叶总糖、还原糖和钾含量。多元统计分析（主成分分析、相关性热图和随机森林分析）一致识别出土壤速效磷、速效钾和IAA含量为预测植物生长表现的最重要因子，证实了养分溶解和植物激素合成在B8促生效应中的核心作用。
三、关键技术与方法
研究人员采用以下主要技术方法开展研究：从连作烟草根际土壤（河南省信阳市罗山县，N31.97°，E114.36°，黄棕壤，pH 7.8）中采集样本进行菌株分离与筛选；通过形态学、生理生化特征结合16S rRNA基因系统发育分析进行菌株鉴定，并利用平均核苷酸一致性（average nucleotide identity，ANI）和数字DNA-DNA杂交（digital DNA-DNA hybridization，dDDH）进行基因组水平分类确认；采用Illumina NovaSeq Xplus和PacBio Revio平台进行全基因组测序，结合SOAPdenovo2和Unicycler进行混合组装；通过Glimmer、GeneMarkS和Prodigal进行基因预测，利用NR、Swiss-Prot、Pfam、GO、COG和KEGG数据库进行功能注释，使用antiSMASH预测次级代谢产物生物合成基因簇；采用四因素三水平正交试验L?(3?)优化发酵条件；通过盆栽试验（三种作物）和田间试验（烟草）评估促生效果；运用主成分分析、Pearson相关分析和随机森林分析进行多变量统计。
四、研究结果
菌株分离、鉴定与表型特征。 从连作烟草根际土壤中分离获得127株细菌，其中23株具有IAA产生潜力。菌株B8表现出最强的IAA合成（67.41 mg/L）、无机磷溶解（532.33 mg/L）和钾溶解（275.01 mg/L）能力。经多相分类鉴定，B8被确认为Priestia aryabhattai，其与P. aryabhattai K13的ANI和dDDH值分别为96.46%和76.33%，达到物种界定阈值。
不同条件对菌株B8促生潜力的影响。 正交试验结果显示，影响IAA产量的因素顺序为：培养基体积>碳源>pH>氮源，最优条件为麦芽糖碳源、蛋白胨氮源、初始pH 7、每250 mL三角瓶装液量70 mL。影响溶磷能力的因素顺序为：pH>培养基体积>氮源>碳源，最优条件为葡萄糖碳源、尿素氮源、初始pH 7、装液量50 mL。影响解钾能力的因素顺序为：碳源>氮源>培养基体积>pH，最优条件为麦芽糖碳源、蛋白胨氮源、初始pH 8、装液量50 mL。
基因组特征。 菌株B8基因组包含一条5,041,709 bp的环状染色体（GC含量38.29%）和两个质粒（质粒A为136,559 bp，质粒B为90,554 bp），共预测5,286个编码序列（coding sequences，CDSs），其中染色体5,081个、质粒A 121个、质粒B 84个。基因组还包含116个tRNA基因、40个rRNA基因、3个CRISPR阵列和5个基因组岛。COG功能分类显示“氨基酸转运与代谢”类基因最多（426个，占10.59%）。
与真菌细胞壁降解相关的基因。 CAZy数据库注释鉴定到149个编码推定碳水化合物活性酶的基因，分属六个家族：糖基转移酶（glycosyl transferases，GT，51个）、糖苷水解酶（glycoside hydrolases，GH，44个）、碳水化合物酯酶（carbohydrate esterases，CE，37个）、辅助活性酶（auxiliary activities，AA，13个）、碳水化合物结合模块（carbohydrate-binding modules，CBM，2个）和多糖裂解酶（polysaccharide lyases，PL，2个）。进一步分析发现B8基因组编码8个参与几丁质降解的酶（4个几丁质酶和4个β-N-乙酰己糖胺酶）、3个β-葡聚糖酶基因和7个参与纤维素降解过程的基因，这些酶的协同作用可能贡献于菌株B8的抗真菌潜力。
生物合成基因簇分析。 antiSMASH分析鉴定到8个次级代谢产物生物合成基因簇（biosynthetic gene clusters，BGCs），预测编码3个萜烯、1个膦酸酯、1个套索肽、1个III型聚酮合酶（type III polyketide synthase，T3PKS）、1个铁载体和1个环二肽合酶（cyclodipeptide synthase，CDPS）。其中膦酸酯BGC、套索肽BGC、萜烯BGC和铁载体BGC因其在生防和促生中的潜在作用而备受关注。
参与植物促生的基因。 基因组分析揭示B8含有多个参与植物促生性状的基因，包括IAA生物合成（完整trpABCDEF操纵子及trpS、aroA基因）、磷溶解（完整pstSABC磷酸盐特异性转运系统、多个碱性磷酸酶phoA/phoD、磷酸盐调控双组分系统phoR/phoP）、钾溶解（khtT/khtU钾氢反向转运体）以及铁载体生物合成与转运（yclQON、fhuGB等ABC转运蛋白基因）。
盆栽试验中菌株B8对土壤理化性质和养分含量的影响。 接种B8显著提高了三种作物根际土壤中IAA、速效磷和速效钾的含量，其中速效磷和速效钾的增加达到极显著水平（P ≤ 0.01），表明B8可增强土壤养分有效性并改善土壤肥力。
盆栽试验中菌株B8对作物生长的影响。 在烟草中，B处理显著提高了株高（13.03%）、鲜重（40.50%）、干重（39.01%）、根系表面积（12.07%）和根体积（32.64%）。小白菜中显著提高了干重（40.00%）和根系表面积（16.58%）。小麦中显著提高了根体积（40.85%），株高、鲜重和根系表面积分别增加10.84%、16.39%和21.23%，差异均达极显著水平。
多变量分析。 主成分分析显示三种作物的CK和B处理组均呈现明显分离聚类。相关性分析表明土壤养分指标（IAA、速效磷、速效钾）与植物生长参数（株高、干重、鲜重、根系表面积、根体积）显著正相关。随机森林分析一致识别出土壤速效磷、速效钾和IAA含量为预测植物生长表现的最重要因子。
田间试验中菌株B8对烟草生长和品质的影响。 与对照相比，接种B8显著提高了烟草株高（7.23%）、茎围（3.33%）和最大叶面积（37.25%）。烟叶品质方面，总糖、还原糖和钾含量分别显著提高11.88%、15.25%和20.86%，其中钾含量的增加达到极显著水平。
五、讨论与结论
讨论部分指出，菌株B8从长期连作烟草根际土壤中分离，此类环境通常伴随土壤微生物失衡、病原菌积累和养分失调，在此条件下存活的菌株可能具有增强的根际竞争力和环境适应性。全基因组测序揭示的完整功能基因模块——包括IAA从头合成途径、磷酸盐特异性转运系统与phoR/phoP双组分系统、钾转运蛋白基因以及完整的铁载体生物合成与转运系统——的协同作用，使B8能够在不同土壤养分条件下灵活调控植物激素合成和养分溶解，从而实现跨作物、跨环境的广谱促生效应。正交试验中三种促生性状最优培养条件的差异表明，B8可能根据根际信号（如pH、通气状况、碳氮源）动态调控其功能模块表达，这种调控灵活性增强了其生态适应性和根际竞争适应性。B8基因组中编码的几丁质酶、β-葡聚糖酶等细胞壁降解酶以及预测编码套索肽和膦酸酯的BGCs，提示其具有抗真菌活性的遗传潜力，有待体外拮抗试验和体内病害防治试验进一步验证。田间试验中烟叶钾含量显著提高20.86%尤为值得关注，钾不仅影响烟叶燃烧性和香气品质，还在植物逆境耐受和产量稳定性中发挥关键作用，khtT和khtU基因的鉴定为其解钾能力提供了分子基础。
研究结论：本研究从连作烟草根际土壤中分离获得一株多功能植物促生细菌Priestia aryabhattai B8。表型测定和全基因组测序揭示B8具有多种促生性状并携带相应功能基因，包括完整的色氨酸生物合成途径、磷酸盐特异性转运系统、钾转运蛋白基因、铁载体生物合成基因簇，以及编码细胞壁降解酶和次级代谢产物生物合成基因簇的基因。正交试验表明这些性状的表达可被培养条件差异化调控。三种作物的盆栽试验和烟草田间试验表明，B8可提高根际养分有效性、促进植物生长和根系发育，并改善烟叶品质。多元统计分析确定土壤速效磷、速效钾和IAA含量为驱动作物生长反应的关键因子。综上所述，Priestia aryabhattai B8是一株稳健且广谱适应的PGPR菌株，为高效稳定生物肥料的开发提供了宝贵的微生物资源和理论基础。
