新型乳酸菌作为番茄细菌性溃疡病的生防剂：生物合成基因簇的基因组学见解

《BioControl》：Novel lactic acid bacteria as biocontrol agents against tomato bacterial canker: genomic insights into biosynthetic gene clusters

　　

摘要
由密执安棒形杆菌密执安亚种（*Clavibacter michiganensis* subsp. *michiganensis*, Cmm）引起的细菌性溃疡病仍是全球番茄生产中最具破坏性的病害之一，亟需可持续的生防策略。本研究调查了从土耳其伊兹密尔省番茄组织中分离的土著乳酸菌（lactic acid bacteria, LAB）的生防潜力及植物促生效果。通过体外试验和植株体内试验，对六个强效分离株（鉴定为副干酪乳杆菌（*Lacticaseibacillus paracasei*）和玉米乳杆菌（*Lacticaseibacillus zeae*））在两个易感番茄品种‘SC2121’和‘Corvette’上进行了评估。尽管这些分离株在平板对峙培养中未表现出对Cmm的直接拮抗作用，但它们在植株体内显示出显著的病害抑制效果，其中副干酪乳杆菌LBT2（G1）的防效高达45.71%。所有分离株均展现出强大的植物促生特性，包括产生吲哚乙酸（indole acetic acid, IAA）、铁载体（siderophore）活性和溶磷能力，导致根和地上部生物量显著增加。为阐明这些效应的分子机制，研究人员对最有效菌株LBT2进行了全基因组测序。基因组挖掘揭示了五个不同的生物合成基因簇（biosynthetic gene clusters, BGCs），包括一个芳基多烯（arylpolyene）簇（相似性88%），用于氧化胁迫保护，以及一个类气杆菌素（aerobactin-like）铁载体簇（相似性66%）。值得注意的是，高度差异的非核糖体肽合成酶（non-ribosomal peptide synthetase, NRPS）簇（相似性3%）和硫肽（thiopeptide）簇（相似性14%）的存在，提示可能产生可在宿主环境内被激活的新型隐性抗菌代谢物。这些发现将副干酪乳杆菌LBT2定位为一种多功能生防剂，整合了直接促生作用与抑制病原体的基因组潜力，为番茄种植中的有害生物综合防治提供了有前景的工具。

论文解读文章

**研究背景**
番茄（*Solanum lycopersicum* L.）是全球重要的营养和经济作物，富含番茄红素、类胡萝卜素、维生素和酚类化合物，有助于降低癌症和心血管疾病等慢性病风险。然而，由密执安棒形杆菌密执安亚种（*Clavibacter michiganensis* subsp. *michiganensis*, Cmm）引起的细菌性溃疡病是番茄生产中最具毁灭性的病害之一，导致全球经济损失。Cmm定殖于木质部导管，引起萎蔫、叶片坏死、茎溃疡和植株死亡，被害果实出现鸟眼状病斑，产量损失可达10%–100%，取决于暴发严重程度和品种敏感性。由于缺乏抗性品种，且该病原可通过种子传播、无症状感染，防治困难，目前主要依赖昂贵的预防措施。传统化学农药的使用存在环境与健康风险，因此迫切需要可持续的生防策略。乳酸菌（lactic acid bacteria, LAB）因其产有机酸、抗菌代谢物和营养竞争能力而成为有效的生防候选菌，但针对Cmm的LAB生防研究仍有限。全基因组测序（whole genome sequencing, WGS）结合反义MAS（antiSMASH）等平台可系统挖掘生物合成基因簇（biosynthetic gene clusters, BGCs），揭示潜在的新型抗菌代谢物，为生防机制提供分子层面的见解。

**研究内容与结论**
本研究从土耳其伊兹密尔省番茄组织中分离土著LAB，通过体外和植株体内试验评估其对Cmm的生防效果及植物促生（plant growth-promoting, PGP）能力，并对最有效菌株进行全基因组测序，鉴定其BGCs。研究得出以下结论：副干酪乳杆菌（*Lacticaseibacillus paracasei*）LBT2（G1）在植株体内实现最高病害抑制效果（SC2121品种达45.71%，Corvette品种达34.29%），尽管在体外未表现出直接拮抗作用；所有分离株均展现PGP特性（产IAA、铁载体、溶磷），显著增加根和地上部生物量；LBT2基因组中存在五个BGCs，包括芳基多烯簇（相似性88%，保护氧化应激）、类气杆菌素铁载体簇（66%）、高度新颖的NRPS簇（3%）和硫肽簇（14%），提示可能编码尚未表征的抗菌代谢物。该研究将LBT2定位为兼具直接促生与病原抑制基因潜力的多功能生防剂，为番茄细菌性溃疡病的综合防治提供了新工具。论文发表在《BioControl》。

**主要关键技术方法**
本研究从土耳其伊兹密尔省13个番茄产区的番茄组织（叶、茎、果）中分离LAB，通过革兰氏染色、氧化酶、烟草过敏性反应、果胶分解及过氧化氢酶试验进行初步筛选。采用16S rRNA基因测序（引物27F/1492R）对四个有效分离株进行分子鉴定。通过平板对峙法评估体外拮抗活性；利用CAS琼脂法、Salkowski比色法、NBRIP平板法等测定铁载体、IAA及溶磷能力。植株体内试验选用两个易感品种‘SC2121’和‘Corvette’，以种子包衣（1%羧甲基纤维素）结合根浸接种Cmm的方式评估生防效果，同时通过测定鲜重和干重评估促生效果。对最有效菌株LBT2进行全基因组测序（WGS），利用antiSMASH v6.1.1挖掘BGCs，并以pyCirclize可视化。

**研究结果**
**筛选及体外表征结果**：从98个分离株中筛选出6个潜在菌株，均属*Lacticaseibacillus*属，鉴定为*L. paracasei*（LBT1、LBT2、LBT3）和*L. zeae*（LBT4）。所有分离株在体外均未对Cmm产生抑菌圈，但均具有PGP特性（IAA产量4–95 ppm；5株产铁载体；4株具溶磷能力；仅G1产蛋白酶）。
**体内生防效果**：在SC2121品种中，G1（LBT2）在两个试验中平均病情严重度最低（47.5±10.0%），防效达45.71%；在Corvette品种中，G1和G2均表现出最佳抑制作用。尽管Dunn事后检验未达到统计显著性（因重复数有限及体内试验变异大），但G1一致降低病害程度。
**植物促生效果**：在SC2121中，G1平均地上部鲜重增加11.01%，根鲜重增加8.07%；在Corvette中，C1（LBT1）表现最强促生作用（根鲜重+59.63%，地上部干重+48.52%），G1和G2也显著促进生长。总体促生效果具有品种依赖性。
**分子分析结果**：LBT2的全基因组组装质量高，antiSMASH鉴定出5个BGCs：区域9.1为芳基多烯簇（88%相似性，氧化应激保护）；区域1.1为类气杆菌素铁载体簇（66%相似性，铁获取）；区域1.2为硫肽簇（14%相似性，可能编码新型抗菌肽）；区域2.2为NRPS簇（3%相似性，推测为新型非核糖体肽）；区域2.1为梯烷（ladderane）簇（14%相似性）。低相似性簇表明LBT2可能携带尚未表征的隐性代谢物基因。

**讨论总结与研究结论翻译**
讨论部分指出：LAB代表可持续替代化学农药的途径；LBT2虽无体外直接拮抗，但体内抑制效果显著，可能通过植物介导的抗性机制实现，包括水杨酸非依赖型诱导系统抗性（induced systemic resistance, ISR）、木质部竞争定殖以及局部产酸降低pH。促生特性（IAA、溶磷、铁载体）进一步增强宿主耐病性。LBT2基因组中新型硫肽和NRPS簇的低相似性暗示其可能编码结构新颖的抗菌化合物，仅在宿主环境中被激活。品种间的防效差异反映了宿主-微生物-病原互作的复杂性。
研究结论部分原文翻译为：“这些发现将副干酪乳杆菌LBT2定位为一种多功能生防剂，整合了直接促生作用与抑制病原体的基因组潜力，为番茄种植中的有害生物综合防治提供了有前景的工具。”