本文为类型a，以下是根据该研究论文撰写的学术报告，全面介绍并解读这项基于稻-萍核心微生物组的生态指导合成菌群构建及其促生与抑病功能的研究。
本研究由宋英杰（Yingjie Song）、陈清霞（Qingxia Chen）等学者共同完成，其中宋英杰与陈清霞为共同第一作者，通讯作者为宋英杰、安玉兴（Yuxing An）和陆英林（Yinglin Lu）。研究团队来自多个科研机构，包括农业微生物资源利用相关实验室及华南地区高校。该论文于2026年发表于 Microbiome 期刊，文章DOI为10.1186/s40168-026-02360-6，论文全文以开放获取（open access）形式发表。
该研究属于植物微生物组学与合成菌群（synthetic community, SynCom）工程交叉领域，聚焦于利用生态学原理构建具有稳定促生与抗病功能的微生物群落。水稻-浮萍（duckweed）共作体系是传统稻田可持续集约化管理的典型模式。浮萍作为水生绿肥可提供氮素、抑制杂草并减少氨挥发，同时显著改变稻田水体与根际微环境。越来越多证据表明，稻-萍共作不仅影响非生物因素，还能重塑稻田微生物组，使土壤、根内、茎内和叶内形成潜在的功能性微生物网络。
然而，现有合成菌群设计多采用“自下而上”（bottom-up）的还原论策略，即选择少数已充分表征的菌株在实验室中混合。这类方法往往忽略自然微生物群落中长期共存的种间互作和生态适应性，导致田间定殖能力差、功能不稳定。相比之下，从生态核心微生物组出发的“自上而下”（top-down）策略或许能提供更强的功能鲁棒性。芽孢杆菌属（Bacillus）作为稻田中常见的植物有益菌，兼具产生生长素（IAA）、铁载体、脂肽类抗生素及诱导系统抗性等多种功能，是构建多功能合成菌群的理想成员。水稻纹枯病由立枯丝核菌（Rhizoctonia solani）引起，严重威胁水稻生产，而现有品种抗性不足，亟需可持续的生物防治策略。
本研究旨在从稻-萍共作体系中鉴定生态核心芽孢杆菌，构建一个由八株菌组成的合成菌群（SynCom），并系统验证其在促进水稻生长与抑制纹枯病方面的双重功能，同时解析群落内部的分工架构及功能冗余性。
研究建立了两种栽培系统：稻-萍共作体系（记为AD）与水稻单作体系（记为DD）。水稻品种为日本晴（Oryza sativa L. cv. Nipponbare）。在AD体系中，水面覆盖浮萍；DD体系中则无浮萍。样品采集覆盖五个生态位：根际土壤、非根际土壤、水稻根、茎、叶。每个样品类型从独立盆栽中取三个生物学重复。根际土壤通过抖动根部粘附土壤获得，植物组织经70%乙醇和2%次氯酸钠表面消毒后用于微生物DNA提取。所有样品在移植后45天采集，处于分蘖早期且尚未出现纹枯病症状。
对土壤和植物组织分别进行了鸟枪法宏基因组测序，土壤样品测序深度约为32 Gb，植物组织约为64 Gb。原始测序数据经FastQC质控、Trimmomatic去接头和低质量碱基，植物组织样品还通过Bowtie2比对水稻参考基因组去除宿主序列。使用MEGAHIT进行从头组装（de novo assembly），MetaPhlAn v4.0进行物种分类注释。功能基因预测采用Prodigal，KEGG、COG、CAZy数据库比对使用DIAMOND。生物合成基因簇（BGCs）通过antiSMASH v6.1预测。核心微生物组定义为在稻-萍处理的所有生物学重复中均检出（出现率100%）而在水稻单作对照组中仅在一个或更少重复中出现的类群。此外，结合DESeq2差异丰度分析和LEfSe线性判别分析筛选稻-萍体系显著富集的属。宏基因组组装基因组（MAGs）通过MetaBAT2、MaxBin2、CONCOCT三种分箱工具及DAS Tool整合获得，仅保留完整度≥80%且污染≤5%的MAGs。
采用多培养基并行分离策略，使用LB、TSA、R2A三种培养基从各生态位分离细菌。共获得168株分离株，经16S rRNA基因全长测序鉴定。结合培养组与宏基因组数据的一致性筛选，最终选定8株芽孢杆菌，分别命名为D09（Bacillus cereus）、D10（Bacillus pumilus）、D11（Bacillus subtilis）、D12（Bacillus velezensis）、D13（Solibacillus sp.）、D14（Gottfriedia solisilvae）、D16（Bacillus altitudinis）和D17（Bacillus xiamenensis）。菌株筛选标准包括：普遍性、核心微生物组成员身份、系统发育差异性、植物有益功能特征以及与宏基因组MAGs的功能匹配。随后对所有菌株进行了植物促生性状测定，包括IAA产量、磷酸盐溶解、铁载体分泌、固氮能力、淀粉酶和蛋白酶活性。利用平板对峙试验评估各单菌对R. solani的抑制效果。通过相容性试验确认八株菌之间无相互拮抗。合成菌群采用等比例混合策略，将各菌株培养至OD₆₀₀=0.8后等体积混合。通过“缺失单菌”（dropout）实验构建8个缺一菌群（−D09至−D17），以解析各成员在群体中的功能贡献。
对完整SynCom及各缺失菌群进行了平板对峙试验、离体叶片和离体茎秆接种试验，评价其对R. solani的抑制能力。利用超高效液相色谱-高分辨质谱（LC-MS）进行非靶向代谢组学分析，比较完整SynCom与各缺失菌群的代谢物谱差异。代谢物经Xcms处理、数据库比对（METLIN、HMDB、MassBank、GNPS及抗SMASH/MIBiG参考库）进行注释。采用主成分分析（PCA）和正交偏最小二乘判别分析（OPLS-DA）展示代谢组差异。通过qRT-PCR检测23个植物促生相关基因和8个胁迫响应基因在各菌群中的表达水平。最终构建了菌株-基因-代谢物相互作用网络，以揭示群落内部的分工架构。
在温室条件下，进行了为期90天的盆栽试验。水稻种子经表面消毒后在无菌蛭石中萌发，4周龄幼苗移栽至装有20 kg灭菌稻田土的盆中，每盆8株。移栽45天后，处理组每盆以10 ml SynCom悬浮液（约10⁸ CFU/ml）灌根，对照组加入等体积无菌LB培养基。一周后接种R. solani，采用带菌牙签穿刺茎基部。试验分为SynCom处理组和对照组，每组24株，其中一半用于生长分析，另一半用于病害评估。病害评估在接种后15、30和45天记录发病率与严重度。收获后测定株高、茎粗、分蘖数、根系总长度与表面积、地上部和根干重，以及叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素含量。
宏基因组分析显示，稻-萍共作显著改变了根际和根内微生物组的α多样性和β多样性。根际和根内微生物群落物种丰富度显著高于水稻单作体系。差异丰度分析发现Bacillus和Pseudomonas在稻-萍体系根际和根内显著富集。功能注释进一步揭示，稻-萍共作体系的地下微生物组在运动性、趋化性及铁载体合成等功能模块上具有更高的潜在能力，而地上组织则富集了Bradyrhizobiales相关功能。核心微生物组鉴定确认Bacillus是稻-萍体系中持续存在的核心类群之一。从宏基因组中重建的Bacillus MAGs具有IAA生物合成、ACC脱氨酶、铁载体合成及多种抗菌脂肽/聚酮类BGCs，且未检测到主要毒力因子。
168株分离株中，Bacillus是唯一在所有生态位中均被分离到的属。选定的8株菌系统发育上分布于B. subtilis、B. amyloliquefaciens和B. velezensis复合群。所有菌株均能产生IAA、溶解无机磷并分泌铁载体，体现了基础功能冗余；而固氮和胞外酶活性则由特定菌株承担。例如，D10和D11具有固氮能力及强蛋白酶活性，D14和D17在淀粉酶活性上表现突出。对峙试验显示所有菌株均能显著抑制R. solani生长，其中D14抑制率最高（76.92%），D17、D16和D10的抑制率也超过75%。各菌株生长曲线重叠性良好，表明其适合共培养。
完全SynCom在平板对峙中产生最小菌落直径，而缺失任一成员均减轻抑制效果。缺失D14或D17时病原菌生长增加约25%。离体叶片试验中，SynCom将病斑长度限制在2.40 mm，而缺失单菌使病斑增至5.29–6.79 mm；缺失D10或D14时病斑最长。离体茎秆试验中，SynCom将病斑抑制在4.80 mm，缺失D16或D17时保护效果损失最大。这些结果表明不同菌株在不同组织部位发挥差异化的保护作用，群落整体功能需要所有成员共同参与。
非靶向代谢组学分析共鉴定到427种代谢物。PCA显示完整SynCom的代谢组与所有缺失菌群均显著分离，说明完整群落具有独特的化学输出。在植物促生模块中，IAA、赤霉素A43、玉米素及多种有机酸在SynCom中相对丰度最高。缺失D10导致多种生长素相关代谢物显著下降；缺失D16导致IAA和多种有机酸含量降低。在病害抑制模块中，表面活性素（surfactin）、丰原素（fengycin A）、芽孢菌霉素D（bacillomycin D）、杆菌溶素（bacilysin）及多种挥发性化合物在SynCom中含量最高。缺失D11和D12造成最大且最广泛的抗菌代谢物减少。qRT-PCR结果进一步确认D16是唯一的IAA合成功能菌株，D11是唯一的固氮功能菌株。功能贡献定量分析显示，D09、D10和D16在综合功能指数中占比最高，但每个菌株均保留不可替代的功能份额。
SynCom灌根处理显著降低了水稻纹枯病病情指数，最终病情指数较对照降低70%，且未表现出植物毒性。在生长参数方面，SynCom处理显著增加了株高、茎粗、分蘖数、根长、根表面积及干物质积累。光合色素（叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素）含量也显著高于对照。这些结果证明该合成菌群在温室条件下能够同时实现促进水稻生长和抑制纹枯病的目标。
本研究成功从稻-萍共作生态体系中构建了以八株芽孢杆菌为核心的生态指导合成菌群。该菌群在温室条件下能够显著促进水稻生长，并将纹枯病病情指数降低70%。通过“缺失单菌”扰动实验、非靶向代谢组学和qRT-PCR分析，研究揭示了一种分工协作架构：不同菌株分别在植物生长素合成、铁载体介导的铁元素动员以及脂肽/聚酮类抗菌物质产生上发挥专一功能，同时在某些基础促生性状上存在部分功能冗余。这种功能互补与冗余并存的特性使群落对单菌缺失具有较强的抗逆性。
本研究提出了“生态核心、功能互补、冗余校验”的合成菌群装配启发式框架，为构建可预测、多功能且具有生态适应性的植物相关微生物群落提供了可迁移的规则。该框架将生态来源与功能输出联系起来，克服了传统还原论合成菌群在田间适应性不足的局限。从应用角度看，该研究为水稻纹枯病的生物防治和化学肥料替代提供了新的微生物资源与策略，同时为下一代生态友好型生物肥料和生物农药的开发提供了理论依据与技术示范。
本研究的主要亮点包括：第一，采用生态指导的自上而下策略从稻-萍核心微生物组中筛选菌株，与传统自下而上的还原论方法形成对比，提高了合成菌群的生态适应性与功能稳定性。第二，通过“缺失单菌”扰动结合多组学分析，系统解析了群落内部的分工架构，发现D16特化于IAA合成、D11特化于固氮，而抗菌脂肽生产则由多个菌株分别承担。第三，构建的八菌合成菌群在温室条件下实现了促生与抑病的同步功能，病情指数降低70%且无植物毒性，展示了良好的应用前景。第四，提出了“生态核心、功能互补、冗余校验”的装配启发式框架，为合成菌群的理性设计提供了可迁移的方法学工具。这些发现不仅推进了植物微生物组工程的基础理论，也为稻田病害绿色防控和可持续农业发展提供了新的解决方案。