二氧化硅纳米颗粒通过肌苷相关的代谢重编程和生物膜促进作用，驱动疾病抑制型微生物群落的组装

《Microbiome》：Silica nanoparticles drive disease-suppressive microbiome assembly via inosine-associated metabolic reprogramming and biofilm promotion

　　

摘要

背景

土壤代谢物是调控微生物群落组装的关键信号。然而，特定化学信号介导植物-微生物组相互作用以增强抗病性的确切机制仍然不明。特别是，工程纳米材料（如SiO₂ NPs）如何利用这种代谢信号来促进抑制性微生物组的建立，在很大程度上仍未得到探索。

结果

我们整合了宏基因组学、代谢组学和转录组学，以阐明SiO₂ NPs驱动的土壤代谢重编程与生物防治细菌建立之间的协同作用。我们首先证明SiO₂ NPs以剂量依赖的方式抑制马铃薯普通疮痂病，并驱动了土壤微生物群落结构和网络复杂性的显著变化。我们鉴定出Bacillus作为核心SiO₂ NPs响应分类单元，实验表明Bacillus velezensis PH3-11菌株抑制了致病性Streptomyces，其中异戊酸作为一种与该拮抗活性相关的候选抗菌代谢物被鉴定出来。代谢组学和宏基因组学分析进一步表明，SiO₂ NPs刺激了肌苷的积累，肌苷与SiO₂ NPs响应生物标志物的群落结构密切相关。机制方面，转录组学分析表明，肌苷作为SiO₂ NPs响应代谢物，上调了PH3-11菌株中涉及胞外多糖合成的基因（如epsD、epsN和epsO），并显著促进了PH3-11的生物膜形成。田间试验进一步证实，肌苷与PH3-11菌株共同施用具有协同效应，在促进生物防治细菌定殖、抑制病害和增强土壤微生物组稳定性方面优于单菌株接种。

结论

我们的发现揭示了一个"纳米-代谢物-微生物组"级联效应，表明SiO₂ NPs通过重编程土壤代谢组和促进肌苷积累来促进保护性生物膜形成细菌的富集。本研究支持了与肌苷相关的机制参与抑制性微生物组组装，并突出了纳米赋能合生元在操纵化学-生物学耦合以实现可持续植物健康方面的潜力。

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