文章題目：Bacterial socialinteractions in synthetic?Bacillus?consortia enhance plant growth
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/imt2.70053
發(fā)表時(shí)間：2025-06-08
期刊：iMeta
影響因子：23.8
研究背景
植物根際促生細(xì)菌（PGPR）代表了一種可持續(xù)提高作物生產(chǎn)力的手段。合成微生物群落已成為工程化根際微生物組的有力工具。然而，由于對(duì)細(xì)菌社會(huì)互作的理解不足，功能穩(wěn)定菌群的設(shè)計(jì)仍然充滿挑戰(zhàn)。在本研究中，探討了B. velezensis?SQR9（一種具有重要商業(yè)價(jià)值的PGPR）對(duì)根際細(xì)菌群落，特別是芽孢桿菌屬內(nèi)部社會(huì)互作的影響。
技術(shù)路線
(A) 水培黃瓜無(wú)菌苗，后移栽至新鮮土壤中培育1周（NS_1w），其余幼苗分別移栽至天然土壤（NS）和滅菌土壤（SS）中，分別接種B. velezensis?SQR9（即SS_SQR9和NS_SQR9），繼續(xù)培養(yǎng)兩周后采樣。（B）采集五個(gè)盆栽處理（NS_1w、NS、SS、SS_SQR9和NS_SQR9）的根際土壤，提取土壤DNA并進(jìn)行16S
rRNA和gyrA基因的擴(kuò)增子測(cè)序，用于分析整個(gè)細(xì)菌群落和芽孢桿菌群落結(jié)構(gòu)特征。（C）從SS和SS_SQR9根際土壤中共分離出180株芽孢桿菌及其近緣屬菌株。對(duì)不同處理所篩菌株分別進(jìn)行社會(huì)互作測(cè)試，調(diào)查不同處理芽孢桿菌的互作關(guān)系，執(zhí)行三個(gè)批次性重復(fù)（每批次選擇不同盆栽生物學(xué)重復(fù)執(zhí)行篩菌和社會(huì)互作試驗(yàn)），共2610組群游對(duì)峙組合。同時(shí)評(píng)估了SS_SQR9中30株菌的碳源利用能力，旨在理解菌株系統(tǒng)發(fā)育與營(yíng)養(yǎng)利用的關(guān)系。此外，還測(cè)試了來(lái)自SS和SS_SQR9的60株菌的植物促生（PGP）活性指標(biāo)，包括產(chǎn)IAA和產(chǎn)鐵載體等的能力。（D）設(shè)計(jì)了HR和MR兩類菌群，每類菌群包含四個(gè)豐富度水平（1、2、3和4株菌），共30個(gè)菌群組合。通過(guò)溫室試驗(yàn)（包括無(wú)菌水培和天然土培）和PGP活性檢測(cè)，探究菌株親緣關(guān)系對(duì)菌群的植物促生潛力的影響。（E）構(gòu)建了300個(gè)菌群組合進(jìn)行擴(kuò)大驗(yàn)證，涵蓋HR和MR兩類菌群、四個(gè)豐富度水平（1、2、4和8株菌）。
研究結(jié)果
（1）B. velezensis?SQR9改變了黃瓜根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)
SQR9接種顯著改變了黃瓜根際土著細(xì)菌群落的組成，特別是對(duì)芽孢桿菌及其近緣屬群落的影響最為明顯。這表明SQR9可能特異性地與芽孢桿菌及相關(guān)細(xì)菌群落發(fā)生互作，并在根際環(huán)境中促進(jìn)了系統(tǒng)發(fā)育相關(guān)成員（如高親和適中親和度類群）的富集。
圖2 通過(guò)16S rRNA基因和gyrA基因高通量測(cè)序分析SQR9對(duì)黃瓜根際細(xì)菌群落組成的改變
（A）基于16S rRNA基因測(cè)序結(jié)果的細(xì)菌群落Shannon指數(shù)。（B）基于gyrA基因測(cè)序結(jié)果的芽孢桿菌群落Shannon指數(shù)。（C）基于16S rRNA基因測(cè)序結(jié)果的NMDS分析。（D）基于gyrA基因測(cè)序結(jié)果的NMDS分析。（E）未接種SQR9處理（NS+SS）的gyrA基因測(cè)序結(jié)果共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)分析。（F）接種SQR9處理（SS_SQR9和NS_SQR9）的gyrA基因測(cè)序結(jié)果共現(xiàn)性網(wǎng)絡(luò)分析。節(jié)點(diǎn)顏色代表SQR9與其他菌株的gyrA基因序列相似度（即菌株之間的親緣度）。字母A代表SQR9，字母I表示gyrA基因序列的相似度。粉色連線表示正相關(guān)，綠色連線表示負(fù)相關(guān)。
（2）B. velezensis?SQR9增強(qiáng)了根際芽孢桿菌群落的相容和協(xié)作
SQR9接種通過(guò)富集高親緣度芽孢桿菌類群（gyrA相似度>96%），顯著提升根際芽孢桿菌菌株間的相容性（尤其是簇間互作），證實(shí)其通過(guò)調(diào)節(jié)土著群落的系統(tǒng)發(fā)育結(jié)構(gòu)增強(qiáng)菌株協(xié)同。
圖 3 B. velezensis?SQR9改變了根際芽孢桿菌之間群游對(duì)峙表型的分布模式
(A) 成對(duì)菌株三種群游對(duì)峙表型：融合表型（Merging），半融合（Intermediate）和邊界（Boundary）。（B）SS和SS_SQR9各自所篩30株芽孢桿菌成對(duì)菌株群游對(duì)峙表型分布比例。（C）基于SS中所篩30株菌的gyrA基因序列構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。（D）基于SS_SQR9中所篩30株菌的gyrA基因序列構(gòu)建的系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)。（E）SS中所篩菌株的群游對(duì)峙表型網(wǎng)絡(luò)圖。（F）SS_SQR9中所篩菌株的群游對(duì)峙表型網(wǎng)絡(luò)圖。綠色連線表示菌株間為融合表型，紅色連線表示為邊界表型；綠色數(shù)字表示融合表型數(shù)量，紅色數(shù)字表示邊界表型數(shù)量。
（3）適中親緣度（MR）菌群促進(jìn)植物生長(zhǎng)
A. 親緣關(guān)系與資源競(jìng)爭(zhēng)的協(xié)同效應(yīng)
高親緣菌群（HR）因強(qiáng)碳源競(jìng)爭(zhēng)抑制協(xié)同功能，導(dǎo)致PGP活性喪失。
中親緣菌群（MR）因弱碳源競(jìng)爭(zhēng)與生態(tài)位互補(bǔ)，顯著提升定殖、代謝物合成及促生效果。
B. 合成菌群設(shè)計(jì)原則
關(guān)鍵因素中等親緣關(guān)系（70-80% gyrA相似度）與弱資源競(jìng)爭(zhēng)性的組合。
生態(tài)位廣度MR菌群通過(guò)差異化碳源利用拓展生態(tài)位，規(guī)避競(jìng)爭(zhēng)抑制（圖4A）。
C. 體系適用性MR菌群在無(wú)菌水培和天然土壤中均表現(xiàn)出穩(wěn)定促生功能，證實(shí)其應(yīng)用潛力。
綜上所述，MR菌群可以顯著地促進(jìn)植物生長(zhǎng)，并且與菌群豐富度呈現(xiàn)出相關(guān)關(guān)系。這強(qiáng)調(diào)了在合成菌群設(shè)計(jì)時(shí)，基于親緣關(guān)系的生態(tài)相容性和生態(tài)位廣度的重要性。
圖4 碳源競(jìng)爭(zhēng)與社會(huì)關(guān)系對(duì)于智能設(shè)計(jì)促生型芽孢桿菌菌群的重要性
（A）SS_SQR9中所篩30株菌碳源利用測(cè)定。（B）HR菌群構(gòu)建及菌群豐富度對(duì)其植物促生能力的影響。（C）MR菌群構(gòu)建及菌群豐富度對(duì)其植物促生能力的影響。（D）不同豐富度水平的MR菌群對(duì)天然土培系統(tǒng)中黃瓜生長(zhǎng)的影響。
（4）豐富度提升與組合多樣化驗(yàn)證菌群設(shè)計(jì)策略
A.SQR9重塑根際群落的作用機(jī)制
接種SQR9通過(guò)改變根際芽孢桿菌及相關(guān)細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)，富集高相容性菌株（HR/MR類型），顯著增強(qiáng)群落內(nèi)協(xié)同互作（圖2E,F）。
B.合成菌群設(shè)計(jì)的關(guān)鍵原則
中等親緣度（MR, gyrA相似度70–80%）菌群：
具備低資源競(jìng)爭(zhēng)性與生態(tài)位互補(bǔ)性，隨豐富度增加（1→8株）顯著提升：
?根際定殖能力（FC↑7%, p<0.0001）
? IAA產(chǎn)量（FC↑56%, p<0.0001）
?鐵載體產(chǎn)量（趨勢(shì)增強(qiáng)）
在無(wú)菌水培與天然土壤體系中均表現(xiàn)出穩(wěn)定促生效果（圖4D, 5A）。
高親緣度（HR, gyrA相似度100%）菌群
·因強(qiáng)資源競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致豐富度增加無(wú)效，所有PGP指標(biāo)無(wú)顯著變化（定殖/IAA/鐵載體 p>0.05）（圖5B）。
C.策略普適性驗(yàn)證
在300組擴(kuò)展菌群組合（涵蓋1/2/4/8株豐富度）中，MR菌群的促生優(yōu)勢(shì)仍顯著且可重復(fù)（圖5），證實(shí)中等親緣度匹配弱競(jìng)爭(zhēng)性是普適的菌群設(shè)計(jì)策略。
D.機(jī)制本質(zhì)
PGP菌群功能優(yōu)化的核心在于規(guī)避高親緣菌株的生態(tài)位重疊，通過(guò)中親緣度菌株的功能互補(bǔ)實(shí)現(xiàn)資源高效利用與協(xié)同增效。
圖5 對(duì)基于社會(huì)互作的合成芽孢桿菌菌群設(shè)計(jì)策略及其構(gòu)建方案的驗(yàn)證
（A）不同豐富度的MR菌群（150組，1-8株菌）的根部定殖能力、IAA產(chǎn)量和鐵載體產(chǎn)量。（B）不同豐富度的HR菌群（150組，1-8株菌）根部定殖能力、IAA產(chǎn)量和鐵載體產(chǎn)量。
研究結(jié)論
這項(xiàng)研究為芽孢桿菌菌群的智能構(gòu)建提供了一個(gè)通用的生態(tài)學(xué)框架，以實(shí)現(xiàn)更高效、更可靠的應(yīng)用效果。在合成菌群產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮微生物之間的社會(huì)互作，尤其是與芽孢桿菌之間的互作關(guān)系。本研究首次證明了施用PGPR SQR9能夠引導(dǎo)根際細(xì)菌群落（特別是芽孢桿菌及其相關(guān)群落）向協(xié)同性增強(qiáng)的方向演替。通過(guò)研究SQR9如何改變黃瓜根際的土著微生物群落結(jié)構(gòu)，本研究設(shè)計(jì)了MR芽孢桿菌菌群，并在無(wú)菌水培和天然土培系統(tǒng)中驗(yàn)證了其植物促生效果。最后，本研究將社會(huì)互作和碳源競(jìng)爭(zhēng)等生態(tài)機(jī)制納入微生物接種劑的合成菌群構(gòu)建考量，為優(yōu)化其應(yīng)用策略提供了理論依據(jù)，并有望推動(dòng)開(kāi)發(fā)出更高效、適用于可持續(xù)農(nóng)業(yè)的微生物產(chǎn)品。
參考文獻(xiàn)
Yan Liu, Baolei Jia,Yi Ren, Weibing Xun, Polonca Stefanic, Tianjie Yang, Youzhi Miao, et al. 2025.“Bacterial social interactions in synthetic?Bacillus?consortiaenhance plant growth.”?iMeta?4: e70053.https://doi.org/10.1002/imt2.70053.
