合成芽孢杆菌群落中的细菌社会互作促进植物生长

作者及机构
本研究由南京农业大学的Yan Liu、Baolei Jia、Yi Ren等学者与斯洛文尼亚卢布尔雅那大学的Ines Mandic-Mulec团队合作完成，发表于2025年5月的期刊 *iMeta*（DOI: 10.1002/imt2.70053）。研究依托江苏省固体有机废弃物资源化利用重点实验室、杭州湘湖实验室等平台，得到中国国家自然科学基金、斯洛文尼亚研究署等多项资助。

学术背景
研究领域：本研究属于植物-微生物互作领域，聚焦于合成微生物群落（Synthetic Microbial Consortia）的设计及其在农业中的应用。
研究动机：植物根际促生菌（PGPR，Plant Growth-Promoting Rhizobacteria）如芽孢杆菌（*Bacillus*）可通过直接或间接作用促进作物生长，但其效果受限于菌株间的复杂互作。现有合成菌群设计多忽视细菌社会行为（如合作与竞争）对功能稳定性的影响。
科学问题：如何通过解析细菌社会互作（social interactions）和系统发育关系（phylogenetic relationships），设计高效稳定的芽孢杆菌合成菌群？

研究流程
1. 根际菌群结构解析
- 对象与处理：黄瓜幼苗分别种植于灭菌（SS）和自然土壤（NS），接种B. velezensis SQR9（PGPR菌株）或对照，共5组（n=9/组）。
- 实验方法：通过16S rRNA和*gyrA*（DNA旋转酶亚基A基因）高通量测序分析菌群多样性；开发*gyrA3*引物提升芽孢杆菌属分辨率。
- 数据分析：使用Shannon指数评估α多样性，Bray-Curtis距离进行非度量多维标度（NMDS）分析；MENAP构建共现网络。

1. 社会互作表型筛选

   • 菌株分离：从SS和SS_SQR9根际分离180株芽孢杆菌及相关属菌株，基于游动（swarming）和生物膜形成能力筛选60株。
     
   • 游动边界实验：2610对菌株两两共培养，观察“融合”（merging）、“边界”（boundary）或“中间型”表型，评估社会兼容性。
     

2. 合成菌群设计与验证

   • 碳源利用分析：通过Biolog Gen III微孔板测定30株菌的碳代谢谱，主成分分析（PCA）关联系统发育与代谢重叠。
     
   • 菌群构建：设计两类菌群——高亲缘（HR，*gyrA*相似度>98%）和中等亲缘（MR，70-80%相似度），分别包含1-8株菌（共300种组合）。
     
   • 功能验证：通过水培和土壤实验测定植物生长指标（株高、干重）、根际定殖能力及吲哚-3-乙酸（IAA）、铁载体（siderophore）产量。
     

主要结果
1. SQR9重塑根际菌群结构
- SQR9接种显著降低芽孢杆菌群落的Shannon多样性（p<0.001），并通过*gyrA*网络分析发现其促进高亲缘（HR）和中等亲缘（MR）菌株的富集（图2e-f）。
- 共现网络显示，SQR9处理组中HR（红色节点）和MR（绿色节点）菌株的连接数增加，而远缘菌株（蓝色节点）减少。

1. 社会互作表型转变

   • SQR9处理组的菌株游动融合频率达58.9%，显著高于对照组（29.7%），边界形成频率降低至19.3%（对照组52.9%）（图3b）。
     
   • 系统发育分析表明，亲缘较近的菌株（如*B. licheniformis*与*B. amyloliquefaciens*）更易融合，而远缘菌株（如Paenibacillus spp.）多形成边界（图3e-f）。
     

2. MR菌群展现优异促生效果

   • 功能优势：MR菌群（4株组合）的植物干重比对照提高79%（p<0.001），IAA和铁载体产量随菌群丰富度增加显著上升（图4c）。
     
   • 机制解析：MR菌株间碳源竞争较弱（PCA显示代谢重叠低），而HR菌群因资源竞争抑制功能协同（图4a）。
     

结论与价值
1. 科学意义：首次揭示PGPR通过调控根际菌群的社会兼容性（如游动融合）增强功能稳定性，提出“系统发育距离-代谢互补”的菌群设计框架。
2. 应用价值：MR菌群在低竞争、高协作条件下表现优异，为开发高效农业微生物菌剂提供新策略。

研究亮点
1. 方法创新：开发*gyrA*靶向测序技术，提升芽孢杆菌群落分辨率；结合表型筛选（游动实验）与代谢分析，多维度解析菌株互作。
2. 理论突破：挑战传统“高亲缘菌群更协同”的假设，证明中等亲缘菌群通过生态位互补实现功能优化。

其他发现
- SQR9可能通过分泌次级代谢物（如抗菌肽）清除竞争菌株，为兼容菌株创造生态位（图5c）。
- 扩展验证中，300种组合证实MR菌群的促生效果具有普适性（图5a-b）。

（注：全文数据及脚本已公开于NCBI和GitHub，见原文Data Availability部分。）