《Environmental Microbiology Reports》：Bacillaceae Within Galium aparine L.: A Plant-Associated Treasure of Biosynthetic Diversity and Growth-Promoting Potential
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内生细菌是植物微生物组的关键组成部分，能够增强宿主生长、抗逆性和防御机制。此前，研究人员从猪殃殃（Galium aparine L.）组织中分离出10株可培养的芽孢杆菌科（Bacillaceae）菌株，包括推定的新型 Priestia 和 Bacillus 物
内生细菌是植物微生物组的关键组成部分，能够增强宿主生长、抗逆性和防御机制。此前，研究人员从猪殃殃（Galium aparine L.）组织中分离出10株可培养的芽孢杆菌科（Bacillaceae）菌株，包括推定的新型 Priestia 和 Bacillus 物种。所有菌株均能耐受不同程度的非生物胁迫，产生氨和生长素，并表现出强大的水解酶活性（淀粉酶、蛋白酶、木聚糖酶和果胶酶），表明其具有稳健的代谢多功能性。这些细菌是工业相关化合物的高产生产者。Priestia megaterium GR4 表现出高水平的水解酶和生物表面活性剂生产能力，且大多数菌株能合成并积累聚羟基脂肪酸酯（PHA），凸显其作为可持续生物塑料生产者的潜力。超高效液相色谱-串联质谱（UPLC-MS/MS）证实了 Peribacillus frigoritolerans GR2 产 koranimine。此前的基因组挖掘研究揭示了多样的生物合成基因簇（BGCs），包括 surfactin 和 fengycin 相关基因簇。总体而言，猪殃殃内生菌代表了强大的生物工厂，能够生产包括酶、生物表面活性剂和生物聚合物在内的多种有价值化合物，在工业生物技术、可持续农业和生物防治领域具有巨大应用潜力。
论文解读：猪殃殃内生芽孢杆菌——生物合成多样性与促生潜力的宝库
一、研究背景与科学问题
植物在与微生物长期共存中建立了密切关系，微生物帮助植物在多变环境中生存，促进营养获取并抵御生物和非生物胁迫。内生菌是生活在植物组织内而不对宿主造成伤害的微生物，是植物微生物组的关键成员。芽孢杆菌属（Bacillus）是多种植物中可培养内生细菌的优势类群，已知能赋予宿主抗虫、抗线虫和环境胁迫能力，并产生水解酶、铁载体、生物表面活性剂和抗菌物质。然而，传统分离筛选方法工作量大且重复发现率高，限制了新型生物活性化合物的发掘。随着测序技术进步，利用基因组挖掘可系统分析次级代谢物生物合成基因簇（BGCs），从而全面探索内生菌的代谢潜能。
猪殃殃（Galium aparine L.）是一种全球分布的一年生草本药用植物，传统上用于治疗肾脏疾病、皮肤病和失眠等。此前尚未有其内生菌相关研究报道。2024年，研究人员从波兰中部采集的猪殃殃根、茎和叶中分离出10株细菌，并对其基因组进行了详细分析。本研究旨在系统评估这些菌株的胁迫耐受性、植物促生特性、水解酶活性及生物活性化合物生产能力，以揭示其作为生物工厂的潜力。
二、研究结论概述
研究证实猪殃殃内生芽孢杆菌科菌株具有显著的环境胁迫耐受性和代谢多功能性。所有10株菌均能在20–45°C、0.5%–5% NaCl及10%–20% PEG 8000条件下生长，部分菌株耐受10% NaCl和10°C低温。全部菌株产氨和吲哚-3-乙酸（IAA），并具有淀粉酶和蛋白酶活性，几乎所有菌株表现出木聚糖酶和果胶酶活性。P. megaterium GR4因其强生物表面活性剂活性、木质素降解能力和产色素特性成为最具前景的菌株；P. frigoritolerans GR2以高效IAA生产、固氮能力和确认的koranimine合成能力见长；B. wiedmannii GL3则因产铁载体色素pulcherrimin而独具特色。该研究首次系统的揭示了猪殃殃内生菌群，为可持续农业、生物防治和工业生物技术提供了宝贵的微生物资源。
三、主要关键技术方法
研究人员使用的关键方法包括：全基因组测序（结合短读长和长读长技术）与组装，基于全基因组的物种分类鉴定；利用Hidden Markov Models（HMMs）进行基因组挖掘，预测植物促生相关基因、碳水化合物活性酶（CAZymes）编码基因和生物合成基因簇（BGCs）；在体外通过平板定性筛选评估菌株对温度、盐度和干旱（PEG 8000模拟）的耐受性，以及氨产生、IAA产生（Salkowski试剂比色法）、水解酶活性（底物平板法）等；采用Sudan Black B染色检测聚羟基脂肪酸酯（PHA）积累；通过油 displacement试验和乳化活性测定表征生物表面活性剂；利用UPLC-MS/MS进行次级代谢产物鉴定。所有菌株基因组数据已提交NCBI（BioProject PRJNA1068863）。
四、研究结果分述
（1）非生物胁迫耐受性：通过不同温度、NaCl浓度和PEG 8000浓度培养试验，发现所有菌株均能在20–45°C和0.5%–5% NaCl范围生长，部分菌株（如B. pretiosus GR1、B. thuringiensis GS1、Bacillus sp. GL1、B. cereus GL2和B. wiedmannii GL3）能在10°C生长；B. pretiosus GR1、P. megaterium GR4、Priestia sp. GS2、B. cereus GS3和B. cereus GL2耐受10% NaCl；所有菌株耐受10%和20% PEG 8000诱导的水分亏缺。这表明它们具有较强环境适应性，可与植物建立共生关系以增强宿主抗逆性。
（2）植物促生特性：通过平板试验，所有菌株均产氨，但无磷酸盐或锌溶解能力；P. frigoritolerans GR2、B. cereus GS3、B. cereus GL2和Priestia sp. GS2具有固氮能力。在含0.2% L-色氨酸的培养基中，所有菌株均能产生IAA，96 h产量范围为9.98 μg/mL（B. pretiosus GR1）至24.33 μg/mL（P. frigoritolerans GR2），大多数菌株产量在120 h时达到最高。基因组分析表明B. cereus群菌株含有吲哚-3-丙酮酸脱羧酶基因，提示其IAA合成可能主要通过IPA途径。
（3）水解潜力：采用底物平板法检测10种胞外水解酶活性。所有菌株均表现淀粉酶和蛋白酶活性；几乎全部菌株具有酯酶、木聚糖酶和果胶酶活性；部分菌株产纤维素酶、几丁质酶和壳聚糖酶；仅P. megaterium GR4表现强漆酶活性，Priestia sp. GS2表现弱漆酶活性；所有菌株均无脂肪酶活性。基因组分析显示Priestia sp. GS2和P. megaterium GR4的CAZymes基因占比最高（分别为2.87%和2.42%），与平板结果相符。
（4）生物活性化合物生产：生物表面活性剂测定显示，GR4具有最高乳化活性（OD500 = 3.44 ± 0.03）和最高乳化指数（48.96% ± 1.02%），油 displacement试验呈强阳性；GR1、GR3和GL2等也表现良好乳化性能。碳水化合物和蛋白质浓度分析提示GR1和GR4产生的生物表面活性剂可能为脂肽，而GR3可能产生糖脂或糖蛋白类。基因组挖掘显示P. megaterium GR4含有与surfactin生物合成基因簇同源的BGC，其余Bacillus属菌株含有fengycin相关BGC，Priestia sp. GS2则缺乏明显相关BGC。
色素生产方面，Priestia sp. GS2和P. megaterium GR4产生黄色素，UV-Vis光谱在250–270 nm处有吸收峰，表明可能为类胡萝卜素前体或核黄素而非典型类胡萝卜素。B. wiedmannii GL3在含FeCl?的TSB培养基上产生红色素，推测为pulcherrimin（由pulcherriminic酸螯合Fe3?形成），具有抗菌和铁螯合特性。
（5）其他代谢产物：通过Sudan Black B染色，大多数菌株显示PHA产生能力，但P. frigoritolerans GR2、P. megaterium GR4和Priestia sp. GS2未见染色。基因组分析发现GR4和GS2虽含PHA合成基因（phaC、phaR、phaP、phaQ），但同时也含有PHB解聚酶基因，可能导致低分子量PHA无法被染色检测。
在抗菌活性测试中，所有菌株的冻干上清液对E. coli、P. aeruginosa、B. licheniformis、M. racemosus和F. oxysporum均无抑制作用。然而，UPLC-MS分析证实P. frigoritolerans GR2在TSB培养基中产生koranimine（m/z 804.5023，[M+H]?，误差0.6 ppm），MS/MS碎片模式与文献一致。Koranimine此前被发现具有潜在的杀线虫活性，可结合谷氨酸门控氯通道（GluCl）的变构位点。
五、讨论与结论总结
讨论部分强调，猪殃殃内生菌株表现出的多种有益特性使其在植物定殖和宿主抗逆中发挥重要作用。耐盐、耐旱和耐温菌株可作为开发作物生物接种剂的资源，尤其适用于环境胁迫下的可持续农业。菌株产生的IAA和氨可直接促进植物生长，水解酶则有助于病原真菌的生物防治。P. megaterium GR4作为优异的生物表面活性剂和漆酶生产者，在生物修复和工业酶应用方面潜力突出，其产surfactin相关BGC预示其抗菌应用前景。B. wiedmannii GL3的pulcherrimin产生能力在食品防腐和医药领域具有应用价值。P. frigoritolerans GR2的koranimine合成确认丰富了其代谢产物谱。尽管抗菌活性未在实验条件下检出，但基因组中存在相应BGC表明在特定诱导条件下可能表达。
研究结论：该研究表明猪殃殃携带多种内生芽孢杆菌科菌株，表现出显著的非生物胁迫耐受性、植物促生特性和代谢多功能性。所有分离株均能产生IAA、氨和水解酶，直接支持植物发育和养分获取。其中P. megaterium GR4以其强生物表面活性剂活性、木质素分解能力和色素产生能力成为特别有前景的菌株；P. frigoritolerans GR2通过高效IAA生产、固氮和已确认的koranimine合成显示出高潜力；B. wiedmannii GL3则因产生具有抗菌和铁螯合特性的pulcherrimin而独具特色。这些特征不仅促进植物定殖，还增强宿主在不利环境条件下的恢复力。综上，猪殃殃相关内生菌是促进植物健康与适应性的重要伙伴，为可持续农业、生物防治和生物技术应用提供了宝贵机会。
