文章题目：Bacterial social interactions in synthetic Bacillus consortia enhance plant growth

文章链接：https://doi.org/10.1002/imt2.70053

发表时间：2025-06-08

期刊：iMeta

影响因子：23.8

研究背景

植物根际促生细菌（PGPR）代表了一种可持续提高作物生产力的手段。合成微生物群落已成为工程化根际微生物组的有力工具。然而，由于对细菌社会互作的理解不足，功能稳定菌群的设计仍然充满挑战。在本研究中，探讨了B. velezensis SQR9（一种具有重要商业价值的PGPR）对根际细菌群落，特别是芽孢杆菌属内部社会互作的影响。

技术路线

(A) 水培黄瓜无菌苗，后移栽至新鲜土壤中培育1周（NS_1w），其余幼苗分别移栽至天然土壤（NS）和灭菌土壤（SS）中，分别接种B. velezensis SQR9（即SS_SQR9和NS_SQR9），继续培养两周后采样。（B）采集五个盆栽处理（NS_1w、NS、SS、SS_SQR9和NS_SQR9）的根际土壤，提取土壤DNA并进行16S rRNA和gyrA基因的扩增子测序，用于分析整个细菌群落和芽孢杆菌群落结构特征。（C）从SS和SS_SQR9根际土壤中共分离出180株芽孢杆菌及其近缘属菌株。对不同处理所筛菌株分别进行社会互作测试，调查不同处理芽孢杆菌的互作关系，执行三个批次性重复（每批次选择不同盆栽生物学重复执行筛菌和社会互作试验），共2610组群游对峙组合。同时评估了SS_SQR9中30株菌的碳源利用能力，旨在理解菌株系统发育与营养利用的关系。此外，还测试了来自SS和SS_SQR9的60株菌的植物促生（PGP）活性指标，包括产IAA和产铁载体等的能力。（D）设计了HR和MR两类菌群，每类菌群包含四个丰富度水平（1、2、3和4株菌），共30个菌群组合。通过温室试验（包括无菌水培和天然土培）和PGP活性检测，探究菌株亲缘关系对菌群的植物促生潜力的影响。（E）构建了300个菌群组合进行扩大验证，涵盖HR和MR两类菌群、四个丰富度水平（1、2、4和8株菌）。

研究结果

（1）B. velezensis SQR9改变了黄瓜根际细菌群落结构

SQR9接种显著改变了黄瓜根际土著细菌群落的组成，特别是对芽孢杆菌及其近缘属群落的影响最为明显。这表明SQR9可能特异性地与芽孢杆菌及相关细菌群落发生互作，并在根际环境中促进了系统发育相关成员（如高亲和适中亲和度类群）的富集。

图 2 通过16S rRNA基因和gyrA基因高通量测序分析SQR9对黄瓜根际细菌群落组成的改变

（A）基于16S rRNA基因测序结果的细菌群落Shannon指数。（B）基于gyrA基因测序结果的芽孢杆菌群落Shannon指数。（C）基于16S rRNA基因测序结果的NMDS分析。（D）基于gyrA基因测序结果的NMDS分析。（E）未接种SQR9处理（NS+SS）的gyrA基因测序结果共现性网络分析。（F）接种SQR9处理（SS_SQR9和NS_SQR9）的gyrA基因测序结果共现性网络分析。节点颜色代表SQR9与其他菌株的gyrA基因序列相似度（即菌株之间的亲缘度）。字母A代表SQR9，字母I表示gyrA基因序列的相似度。粉色连线表示正相关，绿色连线表示负相关。

（2）B. velezensis SQR9增强了根际芽孢杆菌群落的相容和协作

SQR9接种通过富集高亲缘度芽孢杆菌类群（gyrA相似度>96%），显著提升根际芽孢杆菌菌株间的相容性（尤其是簇间互作），证实其通过调节土著群落的系统发育结构增强菌株协同。

图 3 B. velezensis SQR9改变了根际芽孢杆菌之间群游对峙表型的分布模式

(A) 成对菌株三种群游对峙表型：融合表型（Merging），半融合（Intermediate）和边界（Boundary）。（B）SS和SS_SQR9各自所筛30株芽孢杆菌成对菌株群游对峙表型分布比例。（C）基于SS中所筛30株菌的gyrA基因序列构建的系统发育树。（D）基于SS_SQR9中所筛30株菌的gyrA基因序列构建的系统发育树。（E）SS中所筛菌株的群游对峙表型网络图。（F）SS_SQR9中所筛菌株的群游对峙表型网络图。绿色连线表示菌株间为融合表型，红色连线表示为边界表型；绿色数字表示融合表型数量，红色数字表示边界表型数量。

（3）适中亲缘度（MR）菌群促进植物生长

A. 亲缘关系与资源竞争的协同效应

高亲缘菌群（HR）因强碳源竞争抑制协同功能，导致PGP活性丧失。

中亲缘菌群（MR）因弱碳源竞争与生态位互补，显著提升定殖、代谢物合成及促生效果。

B. 合成菌群设计原则

关键因素中等亲缘关系（70-80% gyrA相似度）与弱资源竞争性的组合。

生态位广度MR菌群通过差异化碳源利用拓展生态位，规避竞争抑制（图4A）。

C. 体系适用性MR菌群在无菌水培和天然土壤中均表现出稳定促生功能，证实其应用潜力。

综上所述，MR菌群可以显著地促进植物生长，并且与菌群丰富度呈现出相关关系。这强调了在合成菌群设计时，基于亲缘关系的生态相容性和生态位广度的重要性。

图 4 碳源竞争与社会关系对于智能设计促生型芽孢杆菌菌群的重要性

（A）SS_SQR9中所筛30株菌碳源利用测定。（B）HR菌群构建及菌群丰富度对其植物促生能力的影响。（C）MR菌群构建及菌群丰富度对其植物促生能力的影响。（D）不同丰富度水平的MR菌群对天然土培系统中黄瓜生长的影响。

（4）丰富度提升与组合多样化验证菌群设计策略

A. SQR9重塑根际群落的作用机制

接种SQR9通过改变根际芽孢杆菌及相关细菌的群落结构，富集高相容性菌株（HR/MR类型），显著增强群落内协同互作（图2E,F）。

B. 合成菌群设计的关键原则

中等亲缘度（MR, gyrA相似度70–80%）菌群：

·具备低资源竞争性与生态位互补性，随丰富度增加（1→8株）显著提升：

✅ 根际定殖能力（FC↑7%, p<0.0001）

✅ IAA产量（FC↑56%, p<0.0001）

✅ 铁载体产量（趋势增强）

·在无菌水培与天然土壤体系中均表现出稳定促生效果（图4D, 5A）。

高亲缘度（HR, gyrA相似度100%）菌群

·因强资源竞争导致丰富度增加无效，所有PGP指标无显著变化（定殖/IAA/铁载体 p>0.05）（图5B）。

C. 策略普适性验证

在300组扩展菌群组合（涵盖1/2/4/8株丰富度）中，MR菌群的促生优势仍显著且可重复（图5），证实中等亲缘度匹配弱竞争性是普适的菌群设计策略。

D. 机制本质

PGP菌群功能优化的核心在于规避高亲缘菌株的生态位重叠，通过中亲缘度菌株的功能互补实现资源高效利用与协同增效。

图 5 对基于社会互作的合成芽孢杆菌菌群设计策略及其构建方案的验证

（A）不同丰富度的MR菌群（150组，1-8株菌）的根部定殖能力、IAA产量和铁载体产量。（B）不同丰富度的HR菌群（150组，1-8株菌）根部定殖能力、IAA产量和铁载体产量。

研究结论

这项研究为芽孢杆菌菌群的智能构建提供了一个通用的生态学框架，以实现更高效、更可靠的应用效果。在合成菌群产品设计时，必须考虑微生物之间的社会互作，尤其是与芽孢杆菌之间的互作关系。本研究首次证明了施用PGPR SQR9能够引导根际细菌群落（特别是芽孢杆菌及其相关群落）向协同性增强的方向演替。通过研究SQR9如何改变黄瓜根际的土著微生物群落结构，本研究设计了MR芽孢杆菌菌群，并在无菌水培和天然土培系统中验证了其植物促生效果。最后，本研究将社会互作和碳源竞争等生态机制纳入微生物接种剂的合成菌群构建考量，为优化其应用策略提供了理论依据，并有望推动开发出更高效、适用于可持续农业的微生物产品。

参考文献

Yan Liu, Baolei Jia, Yi Ren, Weibing Xun, Polonca Stefanic, Tianjie Yang, Youzhi Miao, et al. 2025. “Bacterial social interactions in synthetic Bacillus consortia enhance plant growth.” iMeta 4: e70053. https://doi.org/10.1002/imt2.70053.

密码子云平台

我们最近推出了密码子生信云平台服务（https://cloud.mimazi.net），包含免费细菌基因组云流程和各种生信分析小工具，无需安装软件、无需配置环境，即可一键化生成数据分析及可视化绘图结果，快来试试吧！

平台提供微生物群落α多样性分析及多种可视化工具，包括NMDS分析、PCA图图、箱线图等，您也可以轻松创建类似文献中的精美图表。