《Microbiology Spectrum》：Genomic exploration of Bacillus paralicheniformis TB197: an agrobiotechnological tool from the Sonoran Desert
编辑推荐：
气候变化以及广泛使用农用化学品进行植物营养和病虫害防治对土壤、环境和人类健康的有害影响，正推动研究人员寻找可持续替代方案，以减少其使用同时提高植物恢复力。在再生农业中，微生物已成为有价值的工具，可作为生物防治剂或生物刺激素，例如植物生长促进根际细菌（PGPR）
气候变化以及广泛使用农用化学品进行植物营养和病虫害防治对土壤、环境和人类健康的有害影响，正推动研究人员寻找可持续替代方案，以减少其使用同时提高植物恢复力。在再生农业中，微生物已成为有价值的工具，可作为生物防治剂或生物刺激素，例如植物生长促进根际细菌（PGPR），和/或增强植物在非生物胁迫下的表现。芽孢杆菌属（Bacillus）以其与植物的多能相互作用而闻名。具体而言，Bacillus paralicheniformis TB197在控制植物病原线虫和适应不同土壤及作物条件方面表现出高效性。基于这些特性，研究人员通过基因组分析以及体外和体内试验，探索了该菌株的农业潜力。基因分析识别出与三个主要领域相关的功能：（i）抗逆性和植物定殖，（ii）植物生长促进，以及（iii）植物病原体控制。该菌株表现出对盐度和温度的高耐受性，促进了植物生长，并显示出强抗真菌活性。这些发现凸显了TB197菌株作为开发下一代生物接种剂的候选菌株的潜力。
**论文解读文章：Bacillus paralicheniformis TB197的基因组挖掘及其农业生物技术潜力**
**研究背景、问题与意义**
近65年来，全球人口从约30亿迅速增长至80亿，对粮食产量大幅提升提出迫切需求。这一增长主要通过大量使用农用化学品（包括化肥和农药）实现，但伴随而来的是严重的环境问题，如土壤和水体污染、温室气体排放、土地退化、病虫害抗性发展以及对人类健康的不利影响。为解决这些问题，再生农业理念兴起，强调减少农用化学品投入，转而利用天然肥料和有益微生物（如植物生长促进根际细菌，PGPR）。然而，PGPR的促生机理尚未完全明确，且传统“自上而下”的生化方法仅能揭示部分代谢能力。基因组时代的到来使得通过基因组挖掘（genome mining）全面分析PGPR菌株的遗传潜力成为可能。Bacillus paralicheniformis TB197菌株源自索诺兰沙漠，前期研究表明其具有强杀线虫活性和多种作物环境定殖能力，但其作为PGPR的潜力尚未被探索。本研究旨在通过基因组挖掘结合体外与体内试验，系统评估TB197菌株的农业生物技术潜力，为其作为下一代生物接种剂的开发奠定基础。该论文发表在《Microbiology Spectrum》。
**主要关键技术方法**
研究人员采用以下关键技术方法：首先，对B. paralicheniformis TB197菌株进行全基因组测序，利用Prokka、NCBI原核基因组注释流程（PGAP）、RAST服务器进行基因功能注释；使用AntiSMASH和BAGEL4挖掘生物合成基因簇（BGCs）；通过dbCAN3数据库鉴定碳水化合物活性酶（CAZymes）。其次，设计体外试验评估菌株的耐盐性（不同NaCl浓度）和耐热性（不同温度），通过干重法测定生物量。再次，采用平板对峙法测定抗真菌活性（针对Fusarium oxysporum和Colletotrichum acutatum），采用琼脂扩散法测定抗细菌活性（针对Erwinia amylovora和Xanthomonas campestris）。此外，利用拟南芥（Arabidopsis thaliana）双室培养系统评估挥发性有机物（VOCs）对侧根形成的影响，并建立根定殖显微镜观察体系。最后，通过生菜（Lactuca sativa）盆栽试验评价促生效果，测定IAA、铁载体及纤维素酶活性。所有统计分析采用完全随机设计，通过Student’s t检验或Tukey–Kramer检验进行均值比较。
**研究结果**
**Elements involved in stress resistance, soil, and plant colonization**
- **Stress resistance and tolerance（抗逆性）**：基因组分析发现大量与渗透压、盐胁迫及热胁迫相关的基因，包括钠/氯转运蛋白、渗透保护物质合成基因、分子伴侣DnaK/DnaJ/GrpE等。体外试验证实，TB197菌株在10% NaCl浓度下仍能生长，而参考菌株Bacillus subtilis ATCC 21332无法生长；TB197可耐受高达60°C的温度，而参考菌株仅能生长至50°C。这表明TB197具有显著的耐盐和耐热能力，可归类为嗜热菌。
- **Spore formation（芽孢形成）**：基因组中存在调控芽孢形成和休眠的多个基因簇，如吡啶二羧酸合成及小酸溶性芽孢蛋白（SASP）相关基因，支持菌株形成芽孢的能力，有利于产品制剂化。
- **Heavy metal resistance（重金属抗性）**：鉴定出copA、copZ、czcD、arsC等重金属抗性基因，涉及铜、镉、钴、锌、砷等元素的排出与解毒，赋予菌株在污染土壤中的生存优势。
- **Motility, chemotaxis, and attachment of plant surfaces（运动性、趋化性与植物表面附着）**：基因组包含鞭毛合成（hag、flgE等）、趋化信号转导（cheA、cheY等）及生物膜形成相关基因（tasA、yqxM等）。体外根定殖试验显示，TB197菌株与ATCC 21332菌株均能牢固附着于拟南芥根表面，证实其强定殖能力。
**Elements involved in plant growth promotion activities**
- **Volatile organic compounds（挥发性有机物）**：基因组含有乙偶姻和2,3-丁二醇合成基因（alsS、budC、bdhA）。拟南芥试验中，TB197和ATCC 21332菌株均使侧根数量增加1.36倍（P ≤ 0.05），表明VOCs通过生长素依赖机制促进根系发育。
- **Phytohormone production（植物激素产生）**：基因组含有吲哚-3-乙酸（IAA）和γ-氨基丁酸（GABA）合成途径。体外测定显示，TB197的IAA产量为10.03 mg/L，是ATCC 21332菌株（4.88 mg/L）的2.1倍（P ≤ 0.05）。生菜促生试验中，接种TB197后叶片数增加20%，叶面积增加40%（达101.25 cm2），地上部干重增加30%，根干重增加40%（P ≤ 0.05），表现优于参考菌株。
- **Nitrogen, sulfur, and phosphorus acquisition（氮、硫、磷获取）**：基因组含有完整的氮代谢基因（包括反硝化途径narGHIJ、nirS/K、norBC、nosZ），硫同化途径（cysPUWA、sat、cysD等），以及磷酸转运和碱性磷酸酶基因（phoA、phoD）。这些基因赋予菌株在富氮土壤中生存、减少N
2O排放以及高效利用有机磷的能力。
- **Polyamine and modulation of ethylene levels（多胺与乙烯水平调控）**：鉴定出多胺（亚精胺）合成基因（speABCEF、paiA），可能通过抑制乙烯产生减轻植物胁迫。
- **Iron acquisition（铁获取）**：基因组中铁摄取调控基因（fur、hmoA、hmoB）及三个铁载体生物合成簇（schizokinen、pulcherriminic acid、bacillibactins E/F）被鉴定。半定量CAS琼脂试验显示，TB197的铁载体产量是ATCC 21332菌株的2.9倍，表明其强大的铁竞争能力。
**Elements involved in phytopathogenic control**
- **Antibacterial activities（抗细菌活性）**：基因组含有13个与抗菌次生代谢物相关的基因簇，包括surfactin、bacitracin、butirosin及多种RiPPs（如sonorensin、bottromycin等）。但体外抗细菌试验显示，TB197对X. campestris和E. amylovora的相对活性显著低于ATCC 21332，推测因基因表达依赖性环境条件或多数代谢物主要针对革兰氏阳性菌。
- **Antifungal activities（抗真菌活性）**：TB197对F. oxysporum的抑制率比ATCC 21332高15.5倍（P ≤ 0.05），对C. acutatum的抑制率约74%。基因组中surfactin和fengycin合成基因簇的存在与抗真菌活性一致。
- **Nematicidal activities（杀线虫活性）**：前期研究已证实TB197通过合成fengycin、surfactin和lichenysin等环状脂肽高效控制植物寄生线虫，为本次研究提供了动因。
- **Extracellular enzymes（胞外酶）**：通过dbCAN3鉴定出168个酶结构域，包括72个糖苷水解酶（GHs）、45个糖基转移酶（GTs）等。筛选出16种纤维素酶、13种淀粉酶、10种几丁质酶、7种果胶酶和5种木聚糖酶。半定量纤维素酶试验显示TB197活性低于ATCC 21332，但表明其具备降解植物多糖的能力。
**总结讨论与结论**
讨论部分指出，基因组挖掘揭示了比传统表型方法更广泛的代谢潜力。基因与体外活性共同表明，TB197菌株具备合成植物激素、VOCs、铁载体、根定殖能力，并在高温、高盐等极端条件下生存，同时改善植物养分和水分吸收，因此可被明确归类为优秀的微生物生物刺激素。此外，大量与盐、温度、重金属等非生物胁迫缓解相关的基因为未来田间验证及生物修复应用提供了遗传基础。最后，抗菌代谢物（杀线虫、杀细菌、杀真菌）及靶向真菌细胞壁的酶类基因的存在，凸显了TB197作为生物防治剂的潜力；未表征的生物合成途径还暗示新型生物活性化合物的存在。
**结论部分翻译**：最初被归类为高效控制植物寄生线虫的生物防治菌株，Bacillus paralicheniformis TB197菌株的全基因组测序和基因组挖掘揭示其拥有一个广泛、代谢活跃的遗传库，直接关联到促进植物生长和有效控制线虫以外的植物病原体。基因组挖掘方法揭示了比传统表型方法更广泛的代谢潜力。与植物激素、挥发性有机物（VOCs）、铁载体合成、根定殖能力相关的基因及体外活性，即使在高温和盐度等极端条件下也能改善植物的养分和水分吸收，明确将TB197菌株鉴定为适用于标准或再生农业实践的卓越微生物生物刺激素。此外，众多与植物非生物胁迫缓解（如盐度、温度和重金属）相关的基因，为未来研究提供强遗传基础，以在田间条件下实验验证菌株保护作物及评估其生物修复应用潜力。最后，编码抗菌代谢物（包括杀线虫、杀细菌（主要靶向革兰氏阳性菌）和杀真菌化合物）以及靶向植物病原真菌细胞壁的酶类基因的存在，突显了TB197菌株作为农业中多种植物病原体生物防治强候选菌株的生物技术潜力。此外，未表征的生物合成途径暗示存在具有重要生物技术潜力的新生物活性化合物，包括新型抗菌剂，使TB197菌株成为未来研究和工业应用的宝贵资源。
