基于泛基因组指导的枯草芽孢杆菌100MTN1中抗菌肽的鉴定及其对引起番茄枯萎病的尖孢镰刀菌番茄专化型的缓解作用

《Physiological and Molecular Plant Pathology》：Pangenome guided identification of antimicrobial peptides in Bacillus stercoris 100MTN1 mitigates Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici causing wilt of tomato

　　

摘要

由 Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici (Fol) 引起的镰刀菌枯萎病对全球番茄生产构成了重大威胁，产生了寻求可持续管理方案的迫切需求。本研究报告了对有益细菌菌株 Bacillus stercoris 分离株 100MTN1 进行的全面基因组特征分析，该菌株是从陈化甘蔗渣中分离获得的，旨在评估其针对 Fol FOLViF 的生物防治潜力。初步的 in vitro 双培养试验表明，100MTN1 强烈抑制真菌生长达 53.75%，从而促使进一步的遗传调查。全基因组和泛基因组分析揭示了一个多样化的专门用于生物防治的遗传库，包括表面活性素和芽孢杆菌素等关键抗菌肽 (AMPs) 的生物合成途径。分子对接模拟突出了表面活性素作为主要的生物活性候选物质，显示其与 Fol 关键靶蛋白具有高结合亲和力（?8.0 kcal/mol）。随后的琼脂打孔扩散试验证实了这些计算发现，纯化的表面活性素在 in vitro 条件下达到了 61.3% 的真菌抑制率。此外，施用表面活性素 (1000 ppm) 后接用 B. stercoris 100MTN1 对番茄幼苗 (杂交种 Kalyan) 进行灌根，与仅接种 Fol FOLViF 的对照组 (84.34%) 相比，显著降低了发病率至 20.87%。总之，这一基因组指导的功能表征可能将 B. stercoris 100MTN1 代表为管理商业番茄作物镰刀菌枯萎病的一种可能替代方案。

引言

番茄种植代表了世界上最重要的蔬菜种植部门之一，因其高营养价值和经济重要性而在全球范围内受到重视。然而，可靠的产量生产始终受到土传真菌病原体的威胁，特别是番茄尖孢镰刀菌 (Fol)，它是镰刀菌枯萎病的致病菌 (Massantini et al., 2021)。通过侵入宿主根部并定殖木质部维管系统，Fol 严重限制了水分运输，导致典型的症状，如叶片黄化、萎蔫、生长受阻和最终的植株倒伏，这导致了全球范围内的巨额农业损失。管理 Fol 面临着一个重大挑战，因为其菌株变异度高，并且能够通过产生称为厚垣孢子的生存结构在田间土壤中长期持久存在。尽管合成杀菌剂历史上一直是主要控制方法，但其性能往往不一致，并且其持续使用引发了严重关切，包括环境破坏、人类健康风险和杀菌剂抗性的快速发展 (Srinivas et al., 2019)。因此，全球农业研究日益关注开发可持续的、由生物驱动的策略来取代对合成化学品的依赖。

一种特别创新的方法集中在发现自然存在于根际、叶际、内生环境和农业废弃物上的专门微生物群落。甘蔗渣 (SCB) 是糖加工过程中丰富的残留物，具有由纤维素、半纤维素和木质素组成的难降解基质 (Pandey et al., 2000)。当这种坚韧的材料自然分解时，它为有益细菌群（如 Bacillus、Priestia、Myroides、Acinetobacter 和 Saccharopolyspora）的增殖创造了理想环境 (Wu et al., 2022)。内生菌通过多种生化机制刺激生物活性次级代谢产物的生物合成，从而显著增强植物胁迫耐受性。这些专门的代谢产物不仅具有治疗潜力并作为生物合成前体，而且它们在宿主内执行基本的生理功能，包括调节生长和发育、编排先天免疫反应以及介导对非生物和生物胁迫因子的防御 (Rabiae et al., 2025)。此外，实验证据强调，演化的微生物组释放出一系列防御性生物分子，包括专门的脂肽、细胞壁降解酶、挥发性有机化合物 (VOCs)、铁载体和抗真菌代谢产物，有效地抑制了 Fusarium、Rhizoctonia 和 Sclerotium 属等关键土传真菌病原体 (Gwa et al., 2024)。功能性根际细菌的土壤施用系统地驱动宿主生化反应，通过刺激根系代谢活性和修改根际沉积模式来实现。有机酸、氨基酸和信号分子的外渗增加加速了养分溶解，同时选择性地构建支持性的根际微生物组。同时，细菌定殖通过提高关键酶促抗氧化剂 (SOD、CAT 和 APX) 并推动脯氨酸、甘氨酸 betaine 和可溶性糖等渗透保护剂的合成，触发了系统性胁迫耐受性 (Abdel-Haleem et al., 2026)。从陈化 SCB 中恢复有效生物防治菌株带来了显著的双重效益，它将一种低成本、可更新的废弃物转化为有益微生物的自然生物反应器，同时鉴定出具有独特的对植物病原体抑制效应的、适应木质纤维素的健壮生物体 (Kumar and Choudhury, 2024)。

高通量测序技术，特别是全基因组测序 (WGS) 的出现，通过提供对控制有益性状遗传架构的深入了解，彻底改变了微生物研究。通过实现对生物体完整遗传蓝图的完整绘制，WGS 使研究人员能够精确鉴定负责生物防治能力、宿主共生互作和环境适应性的特定基因和生物合成基因簇 (Wang et al., 2024)。这一深厚的基因组数据储备对于解码驱动微生物拮抗作用的精确分子机制至关重要，直接为开发更有针对性和可靠性的生物控制策略提供信息。对芽孢杆菌属物种的全基因组分析改变了我们对它们的进化适应和功能生物防治潜力的理解。一个典型的例子是 Bacillus stercoris 菌株 BST19，其基因组剖析揭示了其次级代谢产物生物合成基因簇内惊人的多样性，这是产生主动抑制植物致病真菌的脂肽和多酮的代谢引擎 (Ku et al., 2024)。最近对来自不同作物的内生枯草芽孢杆菌 (B. subtilis) 菌株的基因组分析揭示了成功宿主定殖所需的关键遗传决定因素。这些包括控制生物膜组装和根部附着的功能性基因网络，以及直接刺激植物生长并在宿主植物内触发防御相关酶产生的性状 (Wang et al., 2021)。

在此背景下，我们的研究聚焦于 B. stercoris 菌株 100MTN1，这是一种从甘蔗渣陈化过程中分离出的细菌，显现出对植物致病真菌和细菌具有抗菌特性 (Wang et al. 2024; Ku et al., 2024; Chouaia and Dittmer, 2024; Valen?a et al., 2026)。本研究聚焦于破译 B. stercoris 100MTN1 的基因组，以揭示驱动其对 Fol 拮抗作用的关键遗传因素。利用全基因组测序、功能注释和比较基因组学，本研究旨在阐明支撑该菌株生物防治能力的精确分子机制。最终，这些见解通过阐明病害防御期间的宿主 - 微生物互作，推进了更广泛的农业微生物组学领域，为番茄生产中可持续管理镰刀菌枯萎病提供基础。

部分片段

细菌拮抗剂的分离及抗真菌活性评估

总共分离出 19 种不同的细菌拮抗剂，来自陈化过程中的 SCB，例如 Bacillus cereus 100MTB20 (PX506212)、Bacillus safensis 100MTB32 (PX506220)、Enterobacter asburiae KRLS03 (PV578988)、Acinetobacter baumannii 100MTB31 (PX506219)、Heyndrickxia ginsengihumi 100MTB28 (PX506216)、Brucella intermedia KRBH1 (PX590032)、Bacillus subtle 100MTB12 (PX506209)、Bacillus pumulis KDMK1 (PV793455)、Bacillus amyloliquefaciens KDMSBB13 (PV450676)、Heyndrickxia oleronia 100MTB02

有效细菌拮抗剂的分离、筛选和鉴定

在 SCB 陈化过程中成功分离出 20 种细菌拮抗剂。所有 20 个分离株均表现出可测量的抗真菌活性，抑制率范围为 32.08% 至 53.75% (图 1，图 S1 和表 S1)。其中，分离株 100MTN1 表现出最高的菌丝抑制率 53.75%。其他具有显著抗真菌效力的分离株包括 B. velezensis 100MTB03 (50.00%)、Microbacterium petrolearum 100MTGM (48.75%) 和 B. amyloliquefaciens

讨论

在植物 - 病原体相互作用期间，病原体攻击迅速引发氧化爆发，其特征是活性氧 (ROS) 的积累，主要是超氧阴离子 (O₂^-) 和过氧化氢 (H₂O₂)。同时，关键植物激素如茉莉酸 (JA) 和乙烯 (ET) 的下调信号级联上调，激活了 MYC 和 ERF 等转录因子家族 (El-Mogy et al., 2025)。然而在感病植株中存在微弱的初始峰值

结论

本研究提供了有前景的计算机模拟、体外和大棚证据，证明 B. stercoris 100MTN1 具有与抗微生物次级代谢产物生物合成相关的关键基因组特征，纯化的/富含表面活性素的组分在受控实验条件下对 Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici (Fol) 表现出抗真菌活性。通过结合长读长基因组组装、生物合成基因簇 (BGC) 分析和靶向功能试验，这

CRediT 作者贡献声明

R. M. Vijaya Ramakrishnan：撰写 – 审稿与编辑，可视化，软件，调查，数据管理。S. Nakkeeran：撰写 – 原稿，监督，项目管理，概念化。M. Kavino：撰写 – 原稿，资源，数据管理。N. Saranya：撰写 – 原稿，监督，软件。P. Renukadevi：监督，资源，概念化。Suhail Ashraf：撰写 – 审稿与编辑，软件，方法学

未引用参考文献

Bankevich et al., 2012; Hou et al., 2026; Kanehisa, 2017; Li et al., 2021; Michel et al., 1997; Xu et al., 2025; Zeriouh et al., 2011.

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能被视为影响本论文报告的工作。

R.M.Vijaya Ramakrishnan|Suhail Ashraf|P. Renukadevi|N. Saranya|M. Kavino|S. Nakkeeran

印度，哥印拜陀 -641003，泰米尔纳德邦农业大学植物病理学系