《Biological Control》：Geocaulosphere bacterial communities associated with potato common scab severity and the biocontrol potential of
Bacillus thuringiensis
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土壤微生物群落日益被认为是决定植物健康与农业可持续性的关键因素。有益微生物可通过与宿主植物互作影响养分获取、调控植物激素信号通路并增强植物对生物胁迫的抗性（Emilia et al., 2020; Thepbandit and Athinuwat, 2024;
土壤微生物群落日益被认为是决定植物健康与农业可持续性的关键因素。有益微生物可通过与宿主植物互作影响养分获取、调控植物激素信号通路并增强植物对生物胁迫的抗性（Emilia et al., 2020; Thepbandit and Athinuwat, 2024; Wang et al., 2024; Zhou et al., 2023）。除促进植物生长外，常驻土壤微生物还可通过资源竞争、抗微生物代谢产物产生及诱导宿主防御反应来限制病原菌定殖（De Mandal and Jeon, 2023）。然而，微生物组介导的病害抑制效果常因土壤环境在理化特性、病原菌丰度和微生物群落组成方面的显著差异而在不同生产系统中表现不一。因此，理解本地微生物群落如何影响病害结果，是开发更可靠的生物防治策略的重要步骤。
马铃薯（Solanum tuberosum L.）是全球种植最广泛的粮食作物之一，是全球粮食生产的重要组成部分（Kumar et al., 2018）。马铃薯疮痂病（potato common scab, PCS）是最具经济重要性的块茎病害之一，因其形成特征性木栓化病斑而大幅降低块茎品质和商品价值（He et al., 2024; Park et al., 2023; Porto et al., 2023）。该病害主要与产生thaxtomin类植物毒素的致病性链霉菌（Streptomyces）有关，此类毒素能够干扰块茎正常发育（Chen et al., 2017; Montoya-Martínez et al., 2024）。尽管PCS很少导致大幅减产，但显著降低块茎品质和可售性，在全球范围内造成可观的经济损失（Braun et al., 2017）。由于致病性链霉菌可在土壤中长期存活，且其活性受多种生物和非生物因素影响，病害管理仍然困难。因此，决定马铃薯生产系统中病害发生与抑制的生态过程日益受到关注。
当前PCS管理主要依赖轮作、灌溉管理、土壤改良及抗性品种的使用。然而，这些方法在不同环境中的效果往往不一致（Zhang et al., 2024）。包括fluazinam、mancozeb、fludioxonil和chloropicrin在内的化学处理可在一定程度上降低病害发生率，但其长期效果受限于病原菌在土壤中的持续存在以及影响病害表达的环境因素（Santos-Cervantes et al., 2017; Tapwal et al., 2023）。因此，生物防治作为补充策略日益受到关注。越来越多的证据表明，病害抑制性与土壤微生物群落的组成和生态互作密切相关，表明有益微生物可能有助于PCS病原菌的自然调控（Feng et al., 2022; Li et al., 2021; Tao et al., 2023）。
越来越多的证据表明，PCS不仅受致病性链霉菌存在的影响，还受周围土壤微生物组结构和生态功能的影响（Keating et al., 2024; Petrushin et al., 2024）。土壤微生物互作通过复杂的竞争和拮抗机制对维持生态系统稳定性和抑制病原菌增殖至关重要（Andargie et al., 2023; Kashyap et al., 2023; Spooren et al., 2024）。在马铃薯相关生境中，直接环绕发育中块茎的地际圈（geocaulosphere, GS）被认为是病原菌与常驻微生物互作的关键区域。由于病害发生在这一界面，GS微生物群落的变异可能对PCS严重度产生重要影响。已有研究表明，PCS发生率较低的土壤往往比高发病土壤拥有更复杂和稳定的微生物网络，暗示微生物组介导的病害抑制可能存在潜在贡献（Shi et al., 2019）。地际圈细菌群落也受土壤类型和种植历史等环境因素影响，而马铃薯基因型的影响相对有限（Nahar et al., 2020; Wang et al., 2025）。然而，与PCS严重度相关的微生物模式在不同地理产区是否一致仍不确定。此外，与病害抑制相关的特定微生物类群的生态作用仍知之甚少，关于其作为靶向致病性链霉菌的拮抗微生物来源的潜力，可用信息也相对有限。解决这些问题对于理解病害抑制性的生态基础以及制定基于微生物组的PCS管理策略具有重要意义。
为更好地理解地际圈微生物群落在马铃薯疮痂病发生中的潜在作用，研究人员利用高通量16S rRNA扩增子测序技术，对中国山东省滕州市三个马铃薯产区中与不同病害严重度相关的细菌群落进行了研究。同时，从地际圈土壤中分离可培养细菌，并筛选其对PCS病原菌的拮抗活性。通过将群落分析与培养依赖方法相结合，本研究旨在确定细菌群落组成如何随PCS严重度变化，识别可能与病害抑制相关的微生物，并评估其作为可持续PCS管理生物防治资源的潜力。
一、研究背景与科学问题
土壤微生物群落在植物健康维持和农业可持续发展中扮演着关键角色。有益微生物可通过与宿主植物互作促进养分获取、调控植物激素信号通路并增强植物对生物胁迫的抗性。同时，常驻土壤微生物还能通过资源竞争、抗菌代谢产物产生及诱导宿主防御反应等机制限制病原菌定殖。然而，微生物组介导的病害抑制效果在不同生产系统中往往存在差异，这主要归因于土壤理化特性、病原菌丰度和微生物群落组成的环境异质性。因此，理解本地微生物群落如何影响病害结果，对于开发可靠的生物防治策略至关重要。
马铃薯疮痂病（potato common scab, PCS）是全球最具经济重要性的马铃薯块茎病害之一，其典型特征是在块茎表面形成木栓化病斑，显著降低块茎品质和商品价值。该病害主要由产生thaxtomin类植物毒素的致病性链霉菌（Streptomyces）引起。尽管PCS很少导致大幅减产，但因其对块茎品质和可售性的显著影响，在全球范围内造成可观的经济损失。当前PCS管理主要依赖轮作、灌溉管理、土壤改良和抗性品种使用，但这些方法在不同环境中的效果往往不一致。化学处理虽可在一定程度上降低病害发生率，但其长期效果受限于病原菌在土壤中的持续存在。
近年来，越来越多的证据表明PCS不仅受致病性链霉菌存在的影响，还受周围土壤微生物群落结构和生态功能的影响。在马铃薯相关生境中，直接环绕发育中块茎的地际圈（geocaulosphere, GS）被认为是病原菌与常驻微生物互作的关键区域。已有研究表明，PCS发生率较低的土壤往往拥有更复杂和稳定的微生物网络，暗示微生物组介导的病害抑制可能存在。然而，与PCS严重度相关的微生物模式在不同地理产区是否一致仍不确定，特定微生物类群在病害抑制中的生态作用也尚不清楚。基于此，本研究旨在通过结合群落水平微生物组分析与培养依赖的功能筛选，探究地际圈细菌群落与PCS严重度的关联，并评估潜在拮抗微生物作为生物防治资源的可行性。
二、研究设计与技术方法
本研究从中国山东省滕州市三个长期连作马铃薯种植村——张庄（ZZ）、东孟（DM）和东柳泉（DLQ）采集地际圈土壤样品，所有样地均种植同一品种"荷兰十五"以消除品种差异的影响。共选取18株马铃薯植株，根据疮痂病严重度1-9级分级标准，将严重度评分≥6的样本归入高严重度组（H），评分≤5的归入低严重度组（L），每村各选取高、低严重度植株各3株作为独立生物学重复。研究采用的主要技术方法包括：利用Pacbio Sequel IIe平台进行16S rRNA基因全长扩增子测序，通过UPARSE 7.1以97%序列相似度聚类生成操作分类单元（operational taxonomic units, OTU），并基于SILVA 138数据库进行物种注释；采用Chao1丰富度估计和Shannon多样性指数评估alpha多样性，利用基于Bray-Curtis相异度的主坐标分析（principal coordinate analysis, PCoA）评估群落结构差异；通过培养依赖方法从地际圈土壤中分离可培养细菌，采用滤纸片扩散法和平板对峙法筛选对病原菌具有拮抗活性的菌株；结合形态学观察、16S rRNA基因测序、多基因座序列分析（multilocus sequence analysis, MLSA）及cry基因PCR检测进行菌株鉴定；通过萝卜幼苗测定、马铃薯块茎切片测定和温室盆栽试验评估生防效果，并测定土壤理化性质和抗氧化酶活性。
三、研究结果
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测序与群落多样性分析
经质量过滤和序列处理后，从18份马铃薯地际圈土壤样品中共获得331,157条高质量全长16S rRNA基因序列，平均序列长度约1,450 bp，测序深度足以支持后续群落组成和多样性分析。在土壤理化性质中，仅土壤含水量在不同采样点间存在显著差异，东孟样品含水量最高，而pH、有机质、全氮、速效磷和速效钾均无显著差异。
- 2.
OTU分布特征
在村庄水平上，649个OTU（59.82%）在三个采样点间共享，为检测到的最大OTU比例。各村庄检测到的OTU总数在869至899之间。在病害严重度水平上，391个OTU（36.04%）在全部六个实验组（ZZH、ZZL、DMH、DML、DLQH、DLQL）中共享，表明相当比例的细菌类群在不同病害类别和地点间被共同检测到。
- 3.
细菌群落组成模式
物种水平的相对丰度比较显示，Priestia megaterium、Bacillus sp. AFS076308、Ginsengibacter hankyongi以及未分类的Pseudomonas和Burkholderia等类群在不同实验组间表现出差异化的相对丰度特征。致病菌株TZ（归属于Streptomyces acidiscabies分支）和拮抗菌株No.2（Bacillus thuringiensis）均在地际圈土壤样本中通过序列匹配被检测到，但两者相对丰度均较低。
- 4.
病原菌的分离与鉴定
从表现典型疮痂病症状的马铃薯块茎中分离获得代表性菌株TZ，该菌株在马铃薯切片上产生组织变黑和软化的特征性症状。PCR扩增确认菌株TZ含有txtAB基因（385 bp），16S rRNA基因系统发育分析将其归入Streptomyces acidiscabies分支。基于atpD、rpoB和trpB三个管家基因的MLSA系统发育重建同样显示菌株TZ聚类于S. acidiscabies谱系内。三个采样点所有致病菌株均表现出相似的菌落形态，并被归入S. acidiscabies分支。
- 5.
拮抗菌的分离与鉴定
从不同PCS严重度的地际圈土壤中，利用五种培养基共获得83个形态学上不同的菌落，其中43个分离物进行了拮抗活性评估。分离自低严重度组地际圈土壤的菌株No.2对病原菌表现出明显的抑制活性，抑菌圈直径为6.67±0.35 mm（n=12）。初步鉴定确认该菌株为苏云金芽孢杆菌（Bacillus thuringiensis），PCR筛选检测到cry1和cry2基因的存在。
- 6.
温室盆栽生防效果评估
接种后30天，施用生防菌株的植株与仅接种病原菌的对照相比表现出改善的根系发育，根长显著增加（P<0.05），而地上部生长参数包括株高、鲜重、块茎数量和块茎重量均无显著差异（P>0.05）。病害评估显示，生防处理显著降低了病害严重度，病害指数从病原菌单独处理的42.50降至生防处理的28.04，对应防治效果为34.02%（P<0.05）。
- 7.
抗氧化酶响应
在仅接种S. acidiscabies的植株中，根和块茎中的超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD）、过氧化物酶（peroxidase, POD）和过氧化氢酶（catalase, CAT）活性相对于未接种对照均有所升高。当B. thuringiensis与病原菌共接种时，根POD活性显著高于病原菌单独处理，而根和块茎中的SOD和CAT活性在两种处理间无显著差异。
四、讨论与结论
本研究表明，低严重度土壤表现出较高的细菌多样性，而严重病害与多样性降低和群落组成改变相关。尽管不同采样区域间存在差异，但全部六个实验组共享的OTU在三个地点均被检测到，群落以Pseudomonadota、Bacillota、Bacteroidota和Acidobacteriota为主导。从感病块茎中分离的病原菌被鉴定为Streptomyces acidiscabies。在地际圈土壤可培养细菌中，Bacillus thuringiensis表现出最强的拮抗活性，在体外抑制了病原菌生长。温室和幼苗试验进一步证明该菌株缓解了病害症状，并在病原菌胁迫下改善了根系相关生长性状，而对地上部生长、块茎数量和块茎重量无显著影响。值得注意的是，拮抗菌B. thuringiensis并非测序数据集中检测到的主导类群，表明病害抑制功能可能并非必然与最丰富的群落成员相关，低丰度微生物也可能具有针对特定病原菌的拮抗活性。研究同时指出，由于横断面设计、有限的重复数（n=3）以及缺乏健康块茎和未感染土壤的基线对照，所观察到的差异应被解释为与不同病害严重度的关联，而非与无病条件的比较。总体而言，这些结果表明病害严重度与地际圈细菌群落变化相关，并凸显低严重度土壤作为拮抗细菌宝贵来源的价值。将微生物组分析与基于培养的筛选相结合，为评估可持续PCS管理的潜在生防候选菌株提供了有效途径。
