短芽孢杆菌 XJ15 对番茄早疫病的生物防治潜力及机制

《Pesticide Biochemistry and Physiology》：Biocontrol potential and mechanism of Bacillus pumilus XJ15 against tomato early blight

　　

摘要
番茄早疫病是一种由链格孢菌(Alternaria)引起的叶部病害，对番茄的产量和品质造成严重影响。尽管芽孢杆菌属(Bacillus)已被广泛应用于植物病害的生物防治，但针对番茄早疫病的生物防治机制研究尚不充分。本研究发现，细芽孢杆菌(Bacillus pumilus)XJ15菌株在实验室条件下对番茄早疫病表现出显著的防控效果。体外试验表明，不同浓度的XJ15菌株能显著抑制链格孢菌(A. iridiaustralis)FEI4的侵染，并有效降低番茄早疫病的病情指数。经XJ15发酵滤液预处理后再接种FEI4的番茄叶片病斑面积显著小于单独接种FEI4的叶片，病斑抑制率达63.61%。进一步研究表明，XJ15提高了番茄植株中过氧化物酶(POD)、多酚氧化酶(PPO)和超氧化物歧化酶(SOD)的活性，降低了丙二醛(MDA)含量，并上调了防御相关基因SlSTH-2、SlPAL2、SlMPH1、SlPAT1、SlPR4、SlNPR1和SlPR1的表达，从而增强植物抗性。通过对XJ15菌株对抗A. iridiaustralis的机制进行转录组测序分析，共获得840个差异表达基因(DEGs)。KEGG和GO富集分析表明，XJ15菌株影响了脂肪酸降解、酪氨酸代谢、糖酵解和糖异生、过氧化物酶体功能以及单加氧酶和二加氧酶活性等代谢途径。结合碘化丙啶(PI)染色和扫描电子显微镜观察，XJ15可能通过影响氧化应激和甾体生物合成抑制A. iridiaustralis的生长。此外，XJ15处理还提高了番茄植株株高、鲜重和干重。总体而言，XJ15可能通过抑制病原菌生长和增强番茄抗性来有效缓解早疫病，为开发番茄早疫病的生物防治剂提供了理论基础。

引言
番茄(Solanum lycopersicum L.)是一种在全球广泛栽培的一年生草本植物(Zhang等, 2023)。近年来，随着人们多元化饮食结构的调整和居住水平的提高，番茄凭借其广泛的用途和营养价值，已成为需求旺盛的首选蔬菜之一(Saha等, 2024; Wang和Si, 2025)。根据联合国粮农组织(FAO, 2022)的统计数据，番茄是全球栽培最广泛的蔬菜，年总产量达1.86亿吨，种植面积达492万公顷(Hajji-Hedfi等, 2025)。然而，番茄种植面积的持续扩大显著增加了病害爆发的风险。病毒、细菌和真菌等多种病原菌可引发毁灭性病害，对番茄植株构成严重威胁(Nagar等, 2020)。其中，真菌病害带来的挑战尤为严峻(Kukreti等, 2024)。番茄早疫病即为典型代表，该病由链格孢菌属(Alternaria spp.)引起，严重阻碍了全球番茄的生长(Adhikari等, 2017)。引起番茄早疫病的病原菌可侵染番茄的叶片、茎秆和采后果实，导致落叶、茎秆萎蔫、果实早落和腐烂等症状(Joybari等, 2025)。据估计，在受影响地区的经济损失高达70%至80%，且已在多个大洲被报道(Vloutoglou和Kalogerakis, 2000; Rasool等, 2021; Yessimseitova等, 2025)。

由于链格孢菌属宿主范围广且传播效率高效，管理该病原菌面临巨大挑战。目前，该病害主要通过化学农药、嫁接和培育抗病品种进行防治。然而，长期施用化学农药会导致病原菌抗性增加以及一系列严重的环境问题(Martinko等, 2022)。相比之下，生物防治能有效减少环境污染，更安全、更环保(Prashar等, 2013)。以往研究曾使用蜡芽孢杆菌(Bacillus cereus)和枯草芽孢杆菌(B. subtilis)防控早疫病的发生(Narendra Babu等, 2015; Awan等, 2023; Nehela等, 2023)。其中，芽孢杆菌属细菌因其显著的抗菌活性和环境适应性，作为重要的生物防治菌株得到了广泛研究(Guo等, 2025; Nan等, 2025)。例如，Velezensis芽孢杆菌(B. velezensis)FM-1在防治马铃薯早疫病方面展现出良好的生物防治潜力(Farag和Khalifa, 2025)。B. cabrialesii TSO2和B. subtilis TE3对链霉菌(S. caniscurcae)表现出强效的拮抗活性，可在田间条件下减少该病害的发生(Montoya-Martínez等, 2024)。此外，Tiquilensis芽孢杆菌(B. tequilensis)可诱导梨黑星病病原菌A. alternata的菌丝聚集、扭曲和缠绕，从而抑制其菌丝生长和侵染能力，田间防效超过90%(Bi等, 2023)。尽管芽孢杆菌属细菌对多种植物病害展现出显著的生物防治效果，但其抑制A. iridiaustralis引起番茄早疫病的内在机制仍知之甚少，需要进一步深入研究。

研究表明，芽孢杆菌属细菌的生物防治效果主要依赖于两个方面。第一方面是分泌细胞壁降解酶和抗菌物质，破坏病原菌菌丝形态并阻碍孢子萌发和定殖。分泌胞外水解酶是生物防治细菌发挥拮抗作用的重要途径之一，这些酶主要包括几丁质酶、纤维素酶和蛋白酶，可直接抑制病原菌生长或间接抑制其生长(Wang等, 2025a, 2025b)。已有研究证实，枯草芽孢杆菌TD11通过产生几丁质酶降解菌丝细胞壁，抑制了黄萎病菌(Fusarium oxysporum)、立枯丝核菌(Rhizoctonia solani)、_colletotrichum属(Colletotrichum sp.)和曲霉属(Aspergillus sp.)等病原真菌的生长(Malik等, 2023)。纤维素酶是降解纤维素的关键酶，而纤维素是植物病原菌细胞壁的重要组成部分(Naresh等, 2019; Malik等, 2023)。蛋白酶是另一种重要的降解酶，被许多植物促生细菌(PGPB)广泛分泌。这些PGPB分泌的蛋白酶可抑制疫霉(Pythium ultimum)的生长，并诱导植物产生病害抗性和免疫反应(Rao等, 1998; Budi等, 2000; Kamensky等, 2003; Ni等, 2018; Fujita等, 2024)。蛋白酶分泌是细菌获取营养和降解真菌细胞壁的关键途径(Sch?nbichler等, 2020)。整合转录组学与其他多组学技术是深入揭示芽孢杆菌生物学特性和生物防治机制的关键工具。例如，转录组分析发现，溶淀粉芽孢杆菌(B. amyloliquefaciens)SFB-1显著下调了卷枝毛孢(Ceratocystis fimbriata)与细胞壁完整性、膜稳定性和孢子形成等核心通路相关的基因，从而抑制病原菌生长(Gao等, 2024)。第二方面是激活植物抗氧化代谢、防御酶系统和抗病相关信号通路，增强植物对病原菌的免疫防御。植物天生具有感知和识别潜在入侵微生物并激活防御反应的能力(Pandey等, 2017)。当有益微生物定殖于植物表面或内部组织时，可诱导宿主进入"激发"(priming)生理状态。一旦激活，植物将对病原菌入侵产生更强、更快的防御反应，这已被证实是有益微生物诱导系统性抗性的共同特征(Conrath等, 2006)。例如，蜡芽孢杆菌AR156通过水杨酸(SA)和MAPK信号通路激活了拟南芥(Arabidopsis thaliana)的防御反应，诱导植物内过氧化氢和胼胝质的积累，以及POD和SOD酶的激活(Jiang等, 2016)。在使用Velezensis芽孢杆菌防治核桃炭疽病时，表达基因富集于植物激素信号转导通路。该生物防治菌可通过转录调控影响宿主激素信号通路，从而增强核桃对胶孢炭疽菌(C. gloeosporioides)的防御能力(Wang等, 2025a, 2025b)。作为具有广谱活性的生物防治剂，芽孢杆菌属细菌在农业生产中具有很高的应用潜力和广阔前景。

在本研究中，为筛选能抑制番茄早疫病病原菌A. iridiaustralis FEI4的生物防治菌，从健康番茄植株叶片中共分离出86株细菌。基于平板对峙试验和室内盆栽试验结果，XJ15菌株表现出最高的真菌抑制率和最强的生物防治效果。进一步结合体外和体内试验、酶活性测定以及抗病相关基因RT-qPCR，阐明了XJ15菌株的潜在生物防治机制。并通过转录组测序、扫描电子显微镜(SEM)观察和碘化丙啶(PI)染色，发现XJ15菌株可能通过破坏细胞膜完整性来抑制A. iridiaustralis FEI4的生长。

菌株培养
从宁夏大学北校区温室采集的健康番茄叶片上，采用组织分离法在LB培养基上共分离培养出86株细菌。基于平板对峙试验和活体接种试验结果，选用B. pumilus XJ15菌株进行后续研究。B. pumilus XJ15在28°C黑暗条件下于LB培养基上培养24小时。随后，取1毫升菌悬液在8000转/分钟条件下离心。

生物防治菌筛选
为筛选具有潜在拮抗A. iridiaustralis FEI4能力的生物防治菌，本实验从健康番茄植株叶片中共分离出86株细菌。平板双培养法结果表明，XJ15、XJ48、XJ49、XJ75和XJ76表现出较高的拮抗效果(图1A、B)。其中，XJ15菌株的抑制率最高，达约49.11%(图1A、B)。

识别主要活性物质

讨论
早疫病已成为全球番茄种植区最具破坏性的病害之一(Shivajyothi等, 2023)。利用有益菌株进行生物防治在促进植物健康方面发挥着至关重要的作用(Luo等, 2026)。本研究从番茄叶片中共分离出86株细菌微生物菌株，并初步进行体外筛选试验。其中，XJ15菌株与其他分离株相比，对A. iridiaustralis表现出更强的抑制效果。

CRediT作者贡献声明
Zijing Han: 写作—审校与编辑，写作—原稿撰写，方法论，调查研究，数据整理。Hua Li: 写作—审校与编辑，方法论，调查研究，正式分析。Jiahui Ma: 调查研究，数据整理。Wenmin Ji: 写作—审校与编辑，数据整理。Minjia Gao: 调查研究。Tao Liu: 写作—审校与编辑，监督指导，项目管理，经费获取。

未引用参考文献
Adjie等, 2025；Ballot等, 2025；Chlebek等, 2020；Pechanova和Pechan, 2015；Xie等, 2021；Xue等, 2023；Yu等, 2022；Zou等, 2023。

利益冲突声明
作者声明无利益冲突。

致谢
本工作由宁夏大学创新创业项目(项目编号：202610749474)资助。

Zijing Han | Hua Li | Jiahui Ma | Wenmin Ji | Minjia Gao | Tao Liu
宁夏大学农学院，中国宁夏银川市，邮编750021