《Journal of Fungi》：Biocontrol Potential of Bacillus velezensis xd3 in Alleviating Root Rot of Garlic (Allium sativum L.)
编辑推荐：
大蒜根腐病主要由层出镰刀菌（Fusarium proliferatum）引起，严重影响了产量和品质，并在全球范围内造成了巨大的经济损失。利用拮抗细菌进行生物防治已成为管理这种土传病害的一种高效且可持续的策略。在本研究中，研究人员分离到一株贝莱斯芽孢杆菌（Bac
大蒜根腐病主要由层出镰刀菌（Fusarium proliferatum）引起，严重影响了产量和品质，并在全球范围内造成了巨大的经济损失。利用拮抗细菌进行生物防治已成为管理这种土传病害的一种高效且可持续的策略。在本研究中，研究人员分离到一株贝莱斯芽孢杆菌（Bacillus velezensis）xd3，该菌株对包括代表性病原菌层出镰刀菌（F. proliferatum）在内的八种植物病原真菌表现出强烈的拮抗活性。扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）观察显示，经贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）xd3的无细胞滤液处理后，层出镰刀菌（F. proliferatum）的菌丝出现了明显的形态异常，包括塌陷、皱缩和扭曲。温室盆栽试验进一步证实，贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）xd3能显著减轻大蒜根腐病的症状，其生物防治效果达到59.85%。生化检测确认，贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）xd3能够分泌纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶和铁载体。此外，对其发酵上清液进行的非靶向代谢组学分析初步表明，贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）xd3可能产生包括脂肽（表面活性素b和c）、聚酮化合物和铁载体在内的抗真菌代谢物。转录组数据显示，贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）xd3通过调节与膜结构、跨膜运输和氧化还原稳态相关的基因表达，发挥其对层出镰刀菌（F. proliferatum）的抗真菌作用。综上所述，这些发现表明贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）xd3是一种有前景的生物防治候选菌株，可用于大蒜根腐病的可持续治理。
研究背景与目的
大蒜（Allium sativum L.）是全球广泛栽培的多年生草本植物，兼具重要的营养和药用价值。然而，由镰刀菌属（Fusarium spp.）真菌，尤其是层出镰刀菌（Fusarium proliferatum）引起的大蒜根腐病，已成为制约大蒜产业发展的毁灭性病害之一，在中国可导致20%-30%的产量损失，严重地区减产超过50%。长期过度施用化学药剂不仅会污染环境、诱导病原菌产生抗药性，还对人类健康构成潜在风险。因此，利用有益微生物进行生物防治，因其环境友好和生态安全的特性，成为一种极具前景的绿色植保策略。尽管已有关于解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）和暹罗芽孢杆菌（Bacillus siamensis）等防治大蒜根腐病的报道，但仍迫切需要发掘和分离更多的生防菌株。本研究旨在探索贝莱斯芽孢杆菌（Bacillus velezensis）xd3对由层出镰刀菌（F. proliferatum）引起的大蒜根腐病的生防效果，并阐明其抗真菌机制。
主要研究方法
研究人员从河南省商丘市羊肚菌种植根际土壤中分离到120株细菌，通过平板对峙法筛选出对层出镰刀菌（F. proliferatum）抑制率最高的菌株xd3，并利用16S rRNA和促旋酶亚基A（gyrA）基因测序进行分子鉴定。采用平板对峙法和含毒介质法评估了菌株xd3的抗菌谱及其无细胞发酵液对病原菌菌丝形态的影响，并使用扫描电子显微镜（SEM）观察菌丝超微结构变化。通过温室盆栽试验，以灌根接种方式验证了菌株xd3对大蒜根腐病的防治效果。利用生化定性实验检测了菌株的胞外酶（纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶）和铁载体产生能力，并通过萨克斯基（Salkowski）比色法测定其产吲哚乙酸（IAA）能力。采用超高效液相色谱-高分辨质谱联用技术（UHPLC-HRMS）对发酵液中的抗真菌代谢产物进行非靶向代谢组学分析。最后，通过对处理组和对照组的层出镰刀菌（F. proliferatum）进行转录组测序（RNA-Seq）并结合实时荧光定量PCR（qRT-PCR）验证，解析了菌株xd3抑制病原菌的分子机制。
研究结果
3.1 抗真菌细菌菌株xd3的分离与鉴定
从120株细菌中筛选到一株对层出镰刀菌（F. proliferatum）抑制率超过70%的菌株xd3。通过形态学观察、16S rRNA和gyrA基因序列的系统发育分析，最终将菌株xd3鉴定为贝莱斯芽孢杆菌（Bacillus velezensis）。
3.2 贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）xd3的抗菌谱**
平板对峙实验表明，菌株xd3对测试的8种重要植物病原真菌（包括假禾谷镰刀菌、尖孢镰刀菌、木贼镰刀菌、立枯丝核菌、链格孢菌、齐整小核菌和葱叶枯病菌）均表现出显著的抑制作用，抑制率均超过69%，显示出广谱的抗真菌活性。
3.3 贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）xd3对层出镰刀菌（F. proliferatum）形态的影响**
含有20%（v/v）菌株xd3无细胞发酵液的培养基显著抑制了层出镰刀菌（F. proliferatum）的菌丝生长。SEM观察发现，经无细胞发酵液处理的病原菌菌丝出现严重的扭曲、皱缩、萎缩和断裂等形态异常，而对照组菌丝则形态完整、结构正常。
3.4 贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）xd3对大蒜根腐病的温室防效**
温室盆栽实验结果显示，接种层出镰刀菌（F. proliferatum）21天后，经菌株xd3处理的大蒜植株生长良好，仅部分叶片出现干枯，而对照组则出现明显的矮化、叶片黄化和球茎水渍状腐烂。xd3处理组的病情指数从对照组的65.88%降至26.45%，相对防效达到59.85%。
3.5 贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）xd3的抗菌与促生特性**
体外生化实验证实，菌株xd3能够产生纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶和铁载体，并且具备合成IAA的能力，表明其具有良好的生防和促生潜力。
3.6 菌株xd3无菌发酵液中抗真菌代谢物的分析
UHPLC-MS分析共注释到1737种代谢物。通过质谱库匹配，初步鉴定出菌株xd3可能产生多种抗真菌代谢物，包括脂肽类物质（表面活性素b和c）、聚酮类物质（埃博霉素B和肌霉素）以及铁载体类物质（铁氧胺、去铁胺D2和诺卡胺）。
3.7 贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）xd3影响层出镰刀菌（F. proliferatum）的转录组图谱**
转录组分析发现，经菌株xd3处理后，层出镰刀菌（F. proliferatum）共有1157个基因上调，794个基因下调。基因本体论（GO）富集分析表明，上调的差异表达基因（DEGs）主要富集于RNA加工、核糖核蛋白复合体生物合成等过程；下调的DEGs则主要富集于跨膜运输、离子运输、氧化还原过程等。京都基因与基因组百科全书（KEGG）富集分析显示，下调基因显著富集于转运蛋白、细胞色素P450对外源物质的代谢、谷胱甘肽代谢、MAPK信号通路等途径。这些结果表明，菌株xd3的处理可能引起了病原菌在膜结构、物质运输和抗氧化防御等方面的转录扰动。
3.8 随机选取的层出镰刀菌（F. proliferatum）基因的qRT-PCR验证**
对12个随机选择的基因进行qRT-PCR验证，结果显示，涉及氧化还原调控、跨膜离子运输、铁载体/氨基酸/吡哆醇运输的基因表达下调，而参与核糖体蛋白组装、RNA修饰和错误折叠蛋白识别清除的基因表达上调。其结果趋势与转录组数据一致，证实了转录组测序结果的可靠性。
讨论与结论
讨论总结： 本研究发现贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）xd3对层出镰刀菌（F. proliferatum）等多种病原真菌具有强拮抗作用，并能有效缓解大蒜根腐病症状。其生防机制是多方面的：首先，菌株xd3能分泌纤维素酶、淀粉酶和蛋白酶等水解酶，可能通过降解病原菌细胞壁发挥作用。其次，代谢组学初步揭示其可能产生表面活性素等脂肽、聚酮和铁载体，这些物质已被广泛报道能破坏真菌细胞膜或干扰其正常生理功能。第三，转录组分析表明，菌株xd3可能通过扰乱病原菌的膜完整性、跨膜运输系统和氧化还原稳态来发挥抑制作用，这与前人研究一致。同时，病原菌也启动了补偿性应激反应，如上调与RNA加工和核糖体生物合成相关的基因以增强蛋白质合成能力。
研究结论翻译： 在本研究中，研究人员基于16S rRNA和gyrA基因测序分离并鉴定了细菌菌株xd3为贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）。贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）xd3对八种植物病原真菌，尤其是引起大蒜根腐病的层出镰刀菌（F. proliferatum），表现出强烈的拮抗活性。用贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）xd3处理能显著抑制层出镰刀菌（F. proliferatum）的菌丝生长，并引发真菌菌丝的严重形态改变。土壤灌根施用贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）xd3能有效减轻由层出镰刀菌（F. proliferatum）引起的大蒜根腐病症状。生化检测证实贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）xd3能分泌纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶和铁载体。代谢组学分析进一步揭示，贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）xd3可能产生多种抗真菌代谢物，如脂肽（推测为表面活性素b和c）和聚酮化合物。此外，贝莱斯芽孢杆菌（B. velezensis）xd3诱导了层出镰刀菌（F. proliferatum）中与膜完整性、跨膜运输和氧化还原稳态相关基因的显著转录变化。总之，贝莱斯芽孢杆菌（Bacillus velezensis）xd3是一种有前途的生防制剂，可用于大蒜根腐病的可持续治理。
